Reutilizar el Plástico se Vuelve Más Fácil con la Ayuda de Láseres

Los crecientes niveles de contaminación del mundo continúan impulsando la demanda de servicios de reciclaje de bajo costo. Lamentablemente, los contaminantes plásticos no se descomponen en los vertederos como otros desechos, lo que genera acumulaciones masivas en todo el planeta. Afortunadamente, un grupo de ingenieros innovadores publicó este mes un estudio que demuestra un sistema basado en láseres que hace que la reutilización de residuos plásticos sea más eficiente. Aquí está lo que necesitas saber.

Contaminación Plástica

El mundo necesita soluciones sostenibles para la gestión de residuos plásticos. Los plásticos son notoriamente difíciles de descomponer y, debido a ello, a menudo terminan acumulándose en vertederos o montones de basura, donde se descomponen lentamente y destruyen el medio ambiente. Estos contaminantes continúan apareciendo en el agua potable, en los animales y en otros puntos cruciales de la cadena alimentaria.

Estudio sobre la Reutilización del Plástico

La investigación más reciente explora el uso de láseres para ayudar a romper los enlaces químicos que hacen que el plástico sea dañino y tarden tanto en degradarse en el medio ambiente. El informe muestra cómo estos láseres pueden descomponer moléculas específicas del plástico, permitiendo que se reutilicen como sustancias reutilizables. Específicamente, el equipo creó puntos de carbono luminiscentes (CDs) que fueron capturados en sustratos sólidos mediante un proceso llamado activación C-H.

Los investigadores seleccionaron cloruro de cetiltrimetilamonio (CTAC) como el primer objetivo para el método de descomposición con láser. El equipo eligió CTAC debido a características específicas, incluyendo su estructura limpia de carbono. Además, es común en la composición de nanomateriales y puede mantener una forma sólida sin requerir muchos ajustes atmosféricos.

Activación C-H

La activación C-H es un proceso químico revolucionario que permite a los científicos romper los enlaces carbono-hidrógeno en una molécula orgánica. Estos enlaces pueden ser específicamente objetivo según su composición, lo que permite sintetizarlos selectivamente en componentes fundamentales como los CDs que pueden reutilizarse.
El proceso de activación C-H introduce rayos de luz de baja potencia en intervalos y frecuencias específicas. Estos rayos de luz descomponen los enlaces químicos que hacen que el plástico sea no biodegradable y forman nuevos enlaces. Específicamente, el estudio examina cómo descomponer surfactantes de amonio cuaternario de cadena larga orgánica en CDs luminiscentes, abriendo la puerta a nuevas oportunidades en diversos campos, incluyendo la reducción de la contaminación, la ciencia de materiales, la química orgánica y la biomedicina.

Nanomateriales a Base de Carbono

Los nanomateriales a base de carbono son el producto ideal para convertir residuos plásticos por muchas razones. Por un lado, este material puede usarse para crear componentes electrónicos de alta gama, incluidos circuitos, dispositivos de almacenamiento de memoria y otros elementos cruciales de la economía informática. Tienen una gran demanda y son necesarios para los dispositivos de alta tecnología de hoy.

Cálculos de la Teoría del Funcional de Densidad (DFT)

Los investigadores desarrollaron una variante del cálculo de la teoría del funcional de densidad para predecir el proceso de conversión y afinar la cantidad de luz y frecuencias utilizadas. Según los ingenieros, los cálculos DFT se basaron en el código VASP, para el cual los electrones de valencia se contabilizan mediante las funciones de onda de Kohn-Sham en un conjunto de bases de ondas planas. Este enfoque permitió al equipo determinar errores y defectos en el proceso sin necesidad de repetir pruebas. Específicamente, pudieron determinar cómo los estados oxidados y los errores afectan la adsorción de H y los procesos de activación C–H.

Fase de Pruebas

El científico comenzó las pruebas creando una capa delgada de CTAC sólido. Esta capa fue luego recubierta con una monocapa de WSe2. Cabe destacar que este recubrimiento se cultivó específicamente para el experimento usando el método de deposición química de vapor (CVD). Las capas, denominadas dicalcogenuros de metales de transición, facilitan la reacción química una vez expuestas a la irradiación de un láser de onda continua de baja potencia. Es notable que el equipo utilizó varios láseres con potencias entre ~0,2–5 mW.
El láser permite que las moléculas de CTAC inicien la activación del enlace C–H mediada por WSe2, resultando en la formación de un enlace C=C y la conversión de moléculas de H a estado gaseoso. Cabe destacar que el equipo integró capas de dicalcogenuros de metales de transición (TMDCs), reduciendo drásticamente la energía necesaria para que las moléculas de carbono se enlacen y convirtiendo los residuos en CDs.

Monitoreo de Cambios

Los ingenieros intentaron el proceso bajo varios escenarios de iluminación diferentes. En particular, un microscopio invertido Nikon TiE, usando una lente objetivo de aceite ×100, y una fuente de luz blanca halógena calificada a 12 V, 100 W hicieron posible el experimento. Además, el equipo utilizó un condensador de campo oscuro (NA 1.20–1.43) para lograr un seguimiento exitoso de la irradiación láser.
Los láseres utilizados incluyeron un láser de onda continua Coherent, Genesis MX STM-1 W de 660 nm (Laser Quantum). Curiosamente, los ingenieros ampliaron el haz para hacerlo más eficiente usando un Thorlabs GBE05-A que fue dirigido mediante el microscopio durante las pruebas.

Los Resultados Muestran Promesa para un Futuro Más Verde

Los resultados del estudio son suficientes para entusiasmar a la industria. Específicamente, el equipo logró convertir el surfactante de amonio cuaternario de cadena larga cloruro de cetiltrimetilamonio (CTAC, C19H42ClN) en CDs luminiscentes sobre monocapas 2D de WSe2 en un patrón organizado y espacialmente resuelto. El proceso fue optimizado y puede integrarse de inmediato para ayudar a reducir los residuos plásticos.
Para asegurar que el proceso se completara eficientemente, los científicos monitorearon los desarrollos usando una espectroscopía de infrarrojo por transformada de Fourier a nanoescala de campo cercano (nano-FTIR). Notaron una banda de absorción prominente alrededor de ~1660 cm⁻¹. Este rango aumentó la eficiencia de los enlaces C=C en los CDs. Además, el equipo utilizó espectros Raman y mapeo mediante el sistema Renishaw para seguir el progreso. Cabe destacar que el espectro Raman reveló que el equipo completó la conversión de los residuos en CDs.

Beneficios

Este estudio ofrece muchos beneficios. Los contaminantes plásticos son un problema importante que ya afecta la vida de millones de personas cada año. La capacidad de sintetizar complejos orgánicos funcionales y contaminantes ambientales como residuos de combustibles fósiles en químicos renovables abre la puerta a una economía más circular en la que los desechos se convierten repetidamente en productos valiosos.

Más Eficiente

Uno de los mayores beneficios de este proceso es que es más eficiente que cualquier método actual. Las técnicas utilizadas hoy requieren mucha energía, son costosas y pueden causar daños adicionales al medio ambiente. Por lo tanto, este enfoque abre la puerta a un reciclaje más limpio de estos materiales de desecho.

Flexible

Otro gran beneficio de esta investigación es que puede aplicarse a una variedad de contaminantes químicos que actualmente plagan el medio ambiente. Los investigadores han afirmado que el proceso funcionará con una amplia selección de compuestos orgánicos de cadena larga. Por lo tanto, esta estrategia podría implementarse a nivel global para combatir una creciente variedad de desechos, incluidos el polietileno y los surfactantes.

Investigadores

El estudio sobre los contaminantes plásticos reunió a algunas de las mentes más brillantes de los sectores académico y científico. El proyecto fue coautorado por Jingang Li e incluyó la ayuda de investigadores de la Universidad de California, la Universidad Tohoku en Japón, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, la Universidad Estatal de Pensilvania y la Universidad Baylor. La financiación del estudio provino de los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Hirose, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, la National Science Foundation y la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia.

Aplicaciones

Existen muchas aplicaciones para esta tecnología. La capacidad de reducir los residuos plásticos ha pasado de ser una preocupación a un riesgo primordial que requiere atención inmediata y constante. Este último descubrimiento ayuda a reducir estos riesgos al convertir los residuos plásticos en CDs valiosos y reutilizables. Por lo tanto, hay aplicaciones casi infinitas en los campos de materiales fotónicos, química orgánica y remediación ambiental.

Empresas que Pueden Beneficiarse de Este Estudio

Al examinar el mercado, es fácil ver que múltiples empresas podrían beneficiarse de integrar esta tecnología de inmediato. Estas compañías han sido pioneras durante mucho tiempo en la gestión de residuos, el reciclaje y las soluciones ambientales. Por lo tanto, ofrecen una oportunidad única para que los inversores obtengan exposición a un sector rápido y en crecimiento.

1. Waste Management

WCN Gráfico de precios

Waste Management (WM ) ingresó al mercado en 1987 buscando proporcionar a la comunidad una mejor manera de desechar materiales desperdiciados. La empresa expandió rápidamente sus operaciones para incluir servicios de reciclaje. Hoy, esta firma con sede en Texas es uno de los principales proveedores de estos servicios.

Como el principal proveedor de servicios integrales de gestión de residuos, Waste Management está estratégicamente posicionada. Es una gran operación que cuenta con más de 28 mil empleados. La compañía ha logrado avances en reciclaje, gestión de residuos, energía renovable y otros mercados cruciales. Cabe destacar que reportó más de $20,69 mil millones en ingresos en 2023.

Los inversores pueden considerar a WCN una fuerte “compra”. Es el principal desarrollador, propietario y operador de servicios de conversión de gas de vertedero a energía en EE. UU. Por lo tanto, la acción ha superado el rendimiento y actualmente muestra un retorno a 5 años de +107,63 %. Cabe destacar que la acción ha subido +2 137 % desde su IPO.

2. Waste Connections

WCN Gráfico de precios

Waste Connections (WCN ) ingresó al mercado en 1997. Originalmente con sede en California, la empresa se trasladó a Texas como parte de su estrategia para servir mejor a la nación. Hoy, Waste Connections emplea a más de 19 mil profesionales y es un proveedor líder de servicios de recolección, transferencia, disposición y reciclaje de residuos en EE. UU.

Es notable que Waste Connections podría experimentar un gran impulso en sus capacidades e ingresos si integrara con éxito los nuevos sistemas de reciclaje de plástico con láser propuestos por los investigadores. Esta mejora permitiría a la empresa generar ingresos adicionales ofreciendo CDs a sus clientes.

Waste Connections tiene una capitalización de mercado de más de $46,85 mil millones. La compañía tiene una recomendación fuerte de “mantener” debido a su posición y a varias adquisiciones de alto nivel que ha completado a lo largo de los años. Aquellos que buscan una acción estable con gran potencial alcista deberían considerar a Waste Connections.

Las Estadísticas Pintan un Panorama Oscuro

El plástico revolucionó la forma en que el mundo realiza el comercio y sigue siendo un elemento crucial de la vida cotidiana. Este material útil ha sido ampliamente utilizado, con expertos citando un crecimiento exponencial desde su introducción en 1950. Desafortunadamente, gran parte de este plástico permanece como desecho. Según estudios ambientales, el mundo introduce 2 millones de toneladas de contaminantes plásticos al medio ambiente cada año, sumándose a los 7 mil millones de toneladas métricas que ya están en circulación.
Es fácil ver dónde ingresan estos contaminantes al mercado. Los estudios han demostrado que hasta el 50 % de los residuos plásticos provienen de envases de un solo uso. Lo peor es que los analistas predicen que los niveles de contaminación aumentarán drásticamente en los próximos años, incrementando de forma aguda los riesgos para la salud y el medio ambiente. Lamentablemente, esta situación ha llevado a consecuencias graves.

Los Océanos Sufren

Los océanos son especialmente susceptibles a estos contaminantes. Lamentablemente, entre 75 y 99 toneladas de plástico llegan al océano, donde permanecen, creando enormes islas de basura que liberan contaminantes mortales. Al ritmo actual, los humanos generan 33 mil millones de libras de residuos plásticos que terminan en el océano cada año. Este último desarrollo podría ayudar a aliviar estas preocupaciones y contribuir a una economía más sostenible.

Los Mayores Contaminadores a Nivel Global

No debería sorprender saber que no todos los países son igualmente responsables del problema de los residuos. Como era de esperar, los principales contribuyentes son naciones con sectores económicos y manufactureros masivos. En 2023, China lideró con aproximadamente 59 079 741 toneladas métricas de residuos. EE. UU. le siguió de cerca en segundo lugar con 37 825 550 toneladas. Alemania, Brasil y Japón también son grandes contribuyentes, aunque a una escala mucho menor que China y EE. UU.

Un Esfuerzo de Equipo

La demanda de reducir los residuos plásticos ha llevado a varios equipos de investigación de todo el mundo a proponer conceptos. Estas ideas abarcan desde enviar los desechos fuera del planeta hasta reutilizarlos en la electrónica avanzada actual. Un estudio interesante encontró que los residuos de espuma de poliestireno (styrofoam) podrían descomponerse y usarse para crear componentes electrónicos valiosos. El poliestireno, al igual que los residuos plásticos, es un gran problema debido a su larga vida de descomposición y al peligro que representa para la vida silvestre.

Regulaciones

Otro factor vital a considerar es la creciente resistencia regulatoria. Los legisladores han reconocido que el escenario actual no es sostenible. El uso masivo de plásticos de un solo uso y otros factores han llevado a la necesidad de realizar cambios importantes. Por lo tanto, se ha introducido nueva legislación a nivel global. Por ejemplo, Nueva Gales del Sur, Victoria y Queensland implementaron prohibiciones de uso único en 2023. Ahora, California busca hacer que los fabricantes sean responsables de la limpieza de sus residuos plásticos.

Reutilizar los Residuos Plásticos y Hacer el Mundo Más Seguro

Tomar los residuos plásticos, que han causado daños irreparables al medio ambiente, y reutilizarlos en CDs valiosos tiene mucho sentido. El desarrollo podría tener precauciones inmediatas y a largo plazo en la industria. Por ahora, este equipo de ingenieros merece reconocimiento por su descubrimiento, que tiene el potencial de ayudar a salvar millones de vidas en el futuro.

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