The Kinetics of the ZnO Catalysed Photodegradation of Aspirin under UV Irradiation

L'acqua che scorre attraverso le nostre città e i nostri fiumi trasporta sempre più tracce dei medicinali che assumiamo. Quando deglutiamo una pillola per il dolore o l'infiammazione, il nostro corpo la elabora, ma non tutto viene scomposto. Il resto lascia i nostri sistemi ed entra nelle acque reflue, dove può persistere nell'ambiente, danneggiando potenzialmente la vita acquatica e alterando gli ecosistemi. Uno dei farmaci più comuni trovati in queste acque è l'aspirina, un medicinale usato da milioni di persone per trattare il dolore e proteggere il cuore. Sebbene sia sicura per gli esseri umani in dosi controllate, la sua presenza nei corpi idrici naturali è una crescente preoccupazione per gli scienziati ambientali. La sfida consiste nel trovare un modo per scomporre questi ostinati composti chimici in sostanze innocue come acqua e anidride carbonica senza creare nuove tossine nel processo.

Per affrontare questo problema, i ricercatori si stanno rivolgendo a un ramo della scienza chiamato fotocatalisi. Immaginate un materiale che agisce come una minuscola macchina alimentata dal sole. Quando la luce colpisce questo materiale, crea una carica elettrica che può fare a pezzi le molecole complesse. L'ossido di zinco, una polvere bianca spesso usata nelle creme solari e nelle vernici, è uno di questi materiali. Quando viene ridotto in nanoparticelle — particelle così piccole che vengono misurate in miliardesimi di metro — diventa incredibilmente efficiente in questo compito. L'obiettivo è usare queste nanoparticelle, immerse nella luce ultravioletta, affinché agiscano come un catalizzatore che accelera la distruzione dell'aspirina nell'acqua, trasformando un inquinante persistente in qualcosa di benigno.

In uno studio recente, scienziati dell'Università musulmana di Aligarh, in India, si sono posti l'obiettivo di testare esattamente quanto bene funzioni questo processo per l'aspirina. Hanno iniziato creando il proprio lotto di nanoparticelle di ossido di zinco. Utilizzando un metodo che prevedeva la miscelazione di soluzioni chimiche e il riscaldamento, hanno prodotto una polvere fine. Per garantire di aver creato il materiale corretto, lo hanno esaminato con potenti microscopi e scanner basati sulla luce. Questi strumenti hanno confermato che le particelle erano effettivamente ossido di zinco, disposte in una specifica struttura cristallina, con una dimensione media di 32 nanometri. I ricercatori hanno anche controllato la superficie delle particelle, riscontrando che erano coperte da piccole molecole d'acqua e presentavano i legami chimici previsti, confermando che erano pronte per l'esperimento.

Il team ha poi inserito queste nanoparticelle in un contenitore di acqua miscelata con aspirina e ha fatto risplendere una luce ultravioletta sulla soluzione. Sapevano da lavori precedenti che la sola luce ultravioletta non poteva scomporre l'aspirina, e che le nanoparticelle da sole, senza luce, non avrebbero fatto molto. Era la combinazione dei due elementi che contava. Mentre la luce colpiva l'ossido di zinco, innescava una reazione che generava particelle altamente reattive chiamate radicali ossidrilici. Questi radicali sono come piccoli, aggressivi addetti alle pulizie che attaccano le molecole di aspirina, rompendo i loro legami chimici e infine trasformandole in componenti semplici e innocui.

Per trovare il modo migliore di gestire questo processo di pulizia, i ricercatori hanno testato diverse variabili. Per prima cosa, hanno osservato quanta polvere di ossido di zinco utilizzare. Hanno scoperto che l'aggiunta di più polvere inizialmente aiutava la reazione ad andare più veloce, perché c'erano più superfici su cui la luce potesse colpire e più luoghi in cui i radicali di pulizia potessero formarsi. Tuttavia, c'era un limite. Una volta aggiunti più di 50 milligrammi di polvere al loro campione da 50 millilitri, la velocità della reazione rallentava effettivamente. Gli scienziati hanno spiegato che quando si aggiunge troppa polvere, l'acqua diventa torbida. Questa torbidità blocca la luce, impedendole di raggiungere le particelle nel profondo della miscela, e le particelle stesse possono raggrupparsi, nascondendo le loro superfici attive. È un po' come cercare di vedere attraverso una nebbia troppo fitta; la luce non può penetrare per svolgere il suo lavoro.

Successivamente, hanno testato come la quantità di aspirina nell'acqua influenzasse il processo. Hanno variato la concentrazione del farmaco da una quantità molto bassa a una più alta. Hanno osservato che all'aumentare della quantità di aspirina, aumentava anche il tasso di distruzione. Questo accadeva perché i radicali di pulizia, che vengono prodotti a un ritmo costante dalla luce e dalla polvere, avevano più bersagli da attaccare. Con più molecole di aspirina che fluttuavano intorno, i radicali erano meno propensi a sprecare la loro energia urtandosi tra loro e più propensi a trovare una molecola di farmaco da scomporre.

Infine, il team ha indagato sull'acidità dell'acqua, che è un fattore cruciale nel modo in cui queste reazioni chimiche si comportano. Hanno aggiunto un acido specifico alla miscela per vedere come il livello di pH influenzasse il risultato. I risultati hanno mostrato un picco distinto nelle prestazioni. La reazione funzionava meglio quando la concentrazione di acido era a un livello moderato specifico. Se l'acqua era troppo acida, l'efficienza diminuiva. I ricercatori ritengono che ciò sia dovuto al fatto che troppi ioni acidi interferiscono con i radicali di pulizia, trasformandoli in forme meno efficaci, o perché l'acido inizia a dissolvere le stesse particelle di ossido di zinco, danneggiando il catalizzatore.

Durante l'esperimento, i ricercatori hanno monitorato la scomposizione dell'aspirina misurando quanta parte del farmaco rimaneva a diversi intervalli di tempo. Hanno anche utilizzato una tecnica sofisticata chiamata spettrometria di massa per identificare gli stadi intermedi del processo. Hanno scoperto che l'aspirina si rompeva prima in acido salicilico e acido acetico, che sono composti più semplici. Questi continuavano poi a frammentarsi in molecole ancora più piccole come l'idrochinone e l'acido muconico, prima di essere infine convertiti in anidride carbonica e acqua. Ciò ha confermato che il processo non stava solo nascondendo il farmaco, ma lo stava realmente distruggendo.

Lo studio conclude che le nanoparticelle di ossido di zinco sono uno strumento altamente efficace per pulire l'aspirina dall'acqua, a condizione che le condizioni siano gestite con cura. Il processo funziona meglio con una quantità specifica di catalizzatore, un livello moderato di acidità e un costante apporto di luce ultravioletta. Sebbene i ricercatori abbiano notato che il processo richiede tempo — raggiungendo oltre il 90 percento della rimozione dopo diversi giorni — esso offre un metodo promettente e "green" per affrontare l'inquinamento farmaceutico. Comprendendo esattamente quanto catalizzatore utilizzare e come regolare la chimica dell'acqua, questo approccio potrebbe un giorno aiutare a mantenere i nostri corsi d'acqua liberi dalle tracce persistenti dei medicinali di cui facciamo affidamento.