Ingenieros de la Universidad de Cornell y de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, ambas de EEUU, han propuesto una solución creativa al problema de contaminación plástica en los océanos: un ejército de biomateriales autopropulsados que nadan llamados ‘microlimpiadores’ que limpian y capturan los plásticos para que puedan ser descompuestos por microorganismos diseñados por computadoras.
El proyecto está siendo financiado con una subvención de U$S 2 millones del programa de Fronteras Emergentes en Investigación e Innovación de la Fundación Nacional de Ciencias de EEUU, y combina experiencia en química, biología, toxicología ambiental, hidrología, inteligencia artificial e informática.
Los microplásticos, pequeños trozos de plástico de tamaño submilimétrico, pasan fácilmente a través de las instalaciones de tratamiento de aguas residuales y se abren paso hacia los océanos, y otros lugares. Se desprenden de trozos más grandes de residuos plásticos o se fabrican como microperlas que se agregan a productos de consumo, como limpiadores de piel y pastas dentales. Las implicancias ambientales de estos microplásticos no se comprenden completamente, aunque los biólogos han encontrado evidencia de que alteran los hábitos de alimentación de aves, peces y otros animales silvestres.
El equipo de investigación tiene como objetivo diseñar varias clases de microlimpiadores no tóxicos y económicos para usar como armas, de tamaño micro, contra este gran problema. El enfoque de Cornell será una clase de gotas de aceite diseñadas para autopropulsarse en el agua, recolectar partículas microplásticas y flotar hacia la superficie, donde pueden ser recolectadas por barcazas u otras embarcaciones. Las gotas contendrán compuestos químicos que generan gradientes de tensión entre el aceite y el agua, dándoles la capacidad de autopropulsarse.
Las interfaces de materiales blandos como las gotas de aceite son una especialidad de Nicholas Abbott, profesor en la Escuela Ingeniería Química y Biomolecular Smith, y co-investigador principal del proyecto.
Abbott dijo que uno de los muchos desafíos subyacentes a la colección de microplásticos es que, en el mundo de las micropartículas, son relativamente grandes y se difunden muy lentamente en el agua. “No puedes esperar a que vengan a ti para ser capturados”, dijo. “También están presentes en enormes volúmenes de agua. Nuestro plan es crear microsistemas de propulsión activa basados en gotitas biodegradables que buscan y capturan las partículas microplásticas. Debido a que son autopropulsados, pueden buscar en un gran volumen de agua».
La clave para hacer que los micro limpiadores funcionen es comprender la composición química de los microplásticos que pretenden capturar, otro de los objetivos del proyecto. Los microlimpiadores deben ser capaces de reconocer la química de los plásticos, donde muchos se ven alterados por una exposición prolongada a la luz solar o dominados por biopelículas de organismos vivos que cubren la superficie.
El equipo de investigación desarrollará nuevas herramientas analíticas para caracterizar microplásticos basadas en sensores de cristal líquido, inteligencia artificial y diseño computacional de péptidos –cadenas de aminoácidos– diseñados para reconocer y adherirse a las superficies de los microplásticos.
Los péptidos se diseñarán en el estado de Carolina del Norte, utilizando métodos de aprendizaje automático desarrollados en Cornell por Fengqi You. You espera aprender de los patrones ópticos únicos producidos por los microplásticos absorbidos en los nuevos cristales líquidos diseñados por Abbott.
«Estamos adoptando un enfoque único para desarrollar técnicas efectivas de aprendizaje profundo para interpretar las señales ópticas espaciales y temporales generadas por la adsorción de microplásticos en interfaces de cristal líquido, creando así ‘huellas digitales’ ópticas que indican la especie y concentración de microplásticos», dijo You.
También utilizará técnicas de aprendizaje automático para respaldar el último componente del estudio: diseñar microbios en forma de pequeñas bacterias que puedan degradar el plástico. Los microbios llevarán a cabo un proceso bioquímico que convierta los microplásticos en materiales más respetuosos con el medio ambiente y potencialmente valiosos, como biocombustibles o ácidos grasos que puedan ser utilizar para producir más micro limpiadores.
Los investigadores también esperan avanzar en la ciencia del diseño de microlimpiadores activos y desarrollar microbios para el procesamiento sostenible de plásticos, otros aspectos del proyecto con potencial para una variedad de aplicaciones ambientales e industriales.
“Los enfoques de ingeniería convencionales para la captura de partículas simplemente no tienen sentido en la escala masiva requerida para impactar los microplásticos”, dijo Abbott. “Parte de nuestra estrategia es utilizar productos de microplásticos deconstruidos como base de microlimpiadores que pueden recolectar partículas adicionales. Este enfoque circular permite un tipo de ampliación del proceso que se requiere para una solución de ingeniería”.
