Para probar las capacidades del nuevo sensor, los investigadores depositaron los nanotubos de carbono y otros componentes del sensor en un portaobjetos de vidrio. Luego lo usaron para monitorear la producción de etileno en dos tipos de flores:claveles rojos y lisianthus morados.
El control de la hormona vegetal etileno podría revelar cuándo las frutas y verduras están a punto de echarse a perder.
A medida que las flores florecen y las frutas maduran, emiten un gas incoloro de olor dulce llamado etileno. Los químicos del MIT ahora han creado un pequeño sensor que puede detectar este gas en concentraciones tan bajas como 15 partes por billón, lo que creen que podría ser útil para prevenir el deterioro de los alimentos.
El sensor, que está hecho de cilindros semiconductores llamados nanotubos de carbono, podría usarse para monitorear frutas y verduras a medida que se envían y almacenan, lo que ayuda a reducir el desperdicio de alimentos, dice Timothy Swager, profesor de química John D. MacArthur en el MIT.
“Existe una necesidad persistente de mejorar la gestión de los alimentos y reducir el desperdicio de alimentos”, dice Swager. "A las personas que transportan fruta les gustaría saber cómo les va durante el tránsito y si necesitan tomar medidas para mantener bajo el nivel de etileno mientras la transportan".
Además de su función natural como hormona vegetal, el etileno también es el compuesto orgánico más fabricado del mundo y se utiliza para fabricar productos como plásticos y prendas de vestir. Un detector de etileno también podría ser útil para monitorear este tipo de fabricación industrial de etileno, dicen los investigadores.
Swager es el autor principal del estudio, que aparece hoy (18 de marzo de 2020) en la revista ACS Central . El postdoctorado del MIT Darryl Fong es el autor principal del artículo, y el estudiante de posgrado del MIT Shao-Xiong (Lennon) Luo y la académica visitante Rafaela Da Silveira Andre también son autores.
Maduro o no
La mayoría de las plantas producen etileno, que lo utilizan como hormona para estimular el crecimiento, la maduración y otras etapas clave de su ciclo de vida. Los plátanos, por ejemplo, producen cantidades cada vez mayores de etileno a medida que maduran y se vuelven marrones, y las flores lo producen cuando están listas para florecer. Los productos agrícolas y las flores bajo estrés pueden producir un exceso de etileno, lo que los lleva a madurar o marchitarse prematuramente. Se estima que cada año los supermercados de EE. UU. pierden alrededor del 12 % de sus frutas y verduras debido al deterioro, según el Departamento de Agricultura de EE. UU.
En 2012, el laboratorio de Swager desarrolló un sensor de etileno que contenía conjuntos de decenas de miles de nanotubos de carbono. Estos cilindros de carbono permiten que los electrones fluyan a lo largo de ellos, pero los investigadores agregaron átomos de cobre que ralentizan el flujo de electrones. Cuando el etileno está presente, se une a los átomos de cobre y ralentiza aún más los electrones. La medición de esta desaceleración puede revelar cuánto etileno está presente. Sin embargo, este sensor solo puede detectar niveles de etileno de hasta 500 partes por mil millones, y debido a que los sensores contienen cobre, es probable que eventualmente se corroan por el oxígeno y dejen de funcionar.
“Todavía no existe un buen sensor comercial para el etileno”, dice Swager. "Para manejar cualquier tipo de producto que se almacene a largo plazo, como manzanas o papas, a la gente le gustaría poder medir su etileno para determinar si está en un modo de estasis o si está madurando".
Swager y Fong crearon un nuevo tipo de sensor de etileno que también se basa en nanotubos de carbono pero que funciona mediante un mecanismo completamente diferente, conocido como oxidación de Wacker. En lugar de incorporar un metal como el cobre que se une directamente al etileno, usaron un catalizador metálico llamado paladio que agrega oxígeno al etileno durante un proceso llamado oxidación.
A medida que el catalizador de paladio realiza esta oxidación, el catalizador gana electrones temporalmente. El paladio luego pasa estos electrones adicionales a los nanotubos de carbono, haciéndolos más conductivos. Al medir el cambio resultante en el flujo de corriente, los investigadores pueden detectar la presencia de etileno.
El sensor responde al etileno a los pocos segundos de la exposición y, una vez que el gas desaparece, el sensor vuelve a su conductividad de referencia a los pocos minutos.
“Estás alternando entre dos estados diferentes del metal, y una vez que el etileno ya no está allí, pasa de ese estado transitorio rico en electrones a su estado original”, dice Fong.
"La reutilización del sistema catalítico de oxidación de Wacker para la detección de etileno fue una idea excepcionalmente inteligente y fundamentalmente interdisciplinaria", dice Zachary Wickens, profesor asistente de química en la Universidad de Wisconsin, que no participó en el estudio. "El equipo de investigación se basó en modificaciones recientes a la oxidación de Wacker para proporcionar un sistema catalítico robusto y lo incorporó a un dispositivo basado en nanotubos de carbono para proporcionar un sensor de etileno notablemente selectivo y simple".
En flor
Para probar las capacidades del sensor, los investigadores depositaron los nanotubos de carbono y otros componentes del sensor en un portaobjetos de vidrio. Luego lo usaron para monitorear la producción de etileno en dos tipos de flores:claveles y lisianthus púrpura. Midieron la producción de etileno durante cinco días, lo que les permitió rastrear la relación entre los niveles de etileno y la floración de las plantas.
En sus estudios de claveles, los investigadores encontraron que hubo un aumento rápido en la concentración de etileno el primer día del experimento, y las flores florecieron poco después, todo en uno o dos días.
Las flores de lisianthus morado mostraron un aumento más gradual de etileno que comenzó durante el primer día y duró hasta el cuarto día, cuando comenzó a disminuir. En consecuencia, la floración de las flores se extendió durante varios días y algunas aún no habían florecido al final del experimento.
Los investigadores también estudiaron si los paquetes de alimentos vegetales que venían con las flores tenían algún efecto sobre la producción de etileno. Descubrieron que las plantas que recibieron el alimento mostraron ligeros retrasos en la producción de etileno y la floración, pero el efecto no fue significativo (solo unas pocas horas).
El equipo del MIT ha solicitado una patente para el nuevo sensor. La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias, el Programa de Tecnología de Calidad Ambiental del Centro de Investigación y Desarrollo de Ingenieros del Ejército de EE. UU., el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Naturales de Canadá y la Fundación de Investigación de Sao Paulo.
Referencia:"Detección de trazas de etileno a través de la oxidación de Wacker" por Darryl Fong, Shao-Xiong Luo, Rafaela S. Andre y Timothy M. Swager, 18 de marzo de 2020, ACS Central .
DOI:10.1021/acscentsci.0c00022
