Coneixien els romans la fotocatàlisis en compostos nanoestructurats?

Segurament, no. Però tot i desconèixer el que ara ens sembla un descobriment de la més sofisticada tecnologia, la feien servir en les seves obres d’enginyeria hidràulica.

Es ben coneguda la capacitat de la societat romana en obres hidràuliques, de transport i emmagatzematge d’aigua per regadiu i per abastir les ciutats i viles d’aigua potable per al consum humà. A Barcelona queden restes dels aqüeductes que arribaven a la ciutat (no són els dos arcs adossats a la muralla a la plaça Nova, aquests són de ben entrat el segle XX), a Tarragona es conserva el Pont del Diable, que va portar aigua fins el s. XVIII, tot i que la veritable obra d’enginyeria és la construcció de canals de quilòmetres de longitud mantenint un raonable règim laminar d’aigua, sense que es formin remolins o turbulències. Però no és d’obra civil del que va aquest post.

Arcs d'un dels aqueductes que portaven aigua a Barcelona

Aqueducte del Pont del Diable, Tarragona

L’aigua arribava a les ciutats i s’emmagatzemava per distribuir-la a les fonts públiques, a les termes i als habitatges, on havia d’arribar en condicions de ser consumida, és a dir, raonablement lliure de contaminants, bacteris i altres organismes patògens. Això s’aconseguia –entre altres procediments- mitjançat l’efecte fotocatalític que aportava un revestiment de nanopartícules d’òxid de ferro que recobria canals i dipòsits. Aquestes obres hidràuliques estaven recobertes d’una fina capa de calç amb argiles escalfades a uns 500ºC, que a més de aportar certa hidraulicitat a la barreja, actua com a biocida no tòxic, produint la fotocatàlisis per mantenir l’aigua neta.

La fotocatàlisis consisteix en provocar una reacció amb l’ajut de l’energia associada a les radiacions electromagnètiques (qualsevol mena de llum). En un àtom, els electrons tenen energies específiques segons la seva disposició en orbitals; quan  els àtoms s’enllacen per formar un compost, part dels electrons participen de l’enllaç i modifiquen el seu estat energètic, ocupant posicions específiques i energies discretes en l’anomenada banda de valència. Existeix una altra banda d’energies, anomenada de conducció, en la que els electrons es poden moure lliurement: aquesta banda només està parcialment ocupada per electrons en els metalls (i per això són conductors de l’electricitat), en la resta de compostos està buida i la diferència d’energia entre les bandes de conducció i valència –anomenada band gap- sol ser important. 

Esquema de l'exitació d'un electró de la banda de valència a la de conducció: l'energia associada a la llum dóna lloc a aquest "salt" energètic, creant un forat (h+) en l'orbital de partida i un electró (e-) en el nivell d'arribada. 

Hi ha compostos on la diferència d’energies entre aquestes bandes és relativament petita,: són els anomenats semiconductors, que conviuen amb nosaltres en pràcticament tota l’electrònica de consum. Si aquesta diferència és prou petita, una lleugera aportació d’energia pot fer saltar (excitar) un electró de la banda de valència a la de conducció: quan això passa, en la banda de valència queda un “forat” que abans ocupava un electró i en la banda de conducció hi ha un electró, que espontàniament tendirà a regressar a la banda anterior. Però de vegades no ho fa immediatament i això dóna certa capacitat de reactivitat, que explicarem més avall. La idea és que l’energia per aquest salt (excitació d’un electró de la banda de valència a la de conducció), es pugui fer amb la llum del sol. 

Un cop tenim un electró en la banda de conducció i un “forat” en la de valència, ambdós produeixen algunes reaccions interessants: la càrrega positiva que implica el “forat” pot dissociar l’aigua per donar un grup hidroxil i un protó (H₂O = H⁺ + OH^-) i l’electró excitat a la banda de conducció pot (super)oxidar l’oxigen (O₂ + e^- à O₂^-). Els productes produïts en aquestes reaccions són fortament oxidants i per tant, capaços de destruir –per oxidació- molècules orgàniques contaminants i afectar les proteïnes de les membranes dels bacteris i altres microorganismes. És a dir, disposen d’una reacció excitada per la llum solar que elimina molècules orgàniques i complica la vida dels microorganismes.

Per tal que el sistema funcioni, cal un semiconductor que tingui una diferència d’energia entre bandes que es pugui excitar amb llum solar (o artificial si cal, però no és el cas dels romans) i com que la reacció té lloc en la superfície dels cristallets del semiconductor, cal que aquests siguin mol petits (idealment, de mides nanomètriques) perquè el conjunt de partícules tingui una superfície enorme. Modernament, aquest efecte es fa amb un polimorf d’òxid de titani (anatasa) que es pot excitar amb llum ultraviolada. Però aquest no és l’únic semiconductor possible que permeti dur a terme la fotocatàlisis.

Escalfant argiles per sobre de 500ºC, els hidròxids de ferro que contenen es transformen en la fase òxida (hematites, Fe₂O₃). I com que creix a l’estat sòlid (sense passar per un estat fluid), els cristallets desenvolupats són extraordinàriament petits (molt inferiors a una micra, és a dir nanomètrics). L’hematites té una diferència d’energia entre bandes de 2,2 eV, equivalent a l’energia associada a una ona electromagnètica de longitud d’ona 563 nm, és a dir, la llum entre verd i groc de l’espectre visible que arriba del Sol.

Si es recobreixen els dipòsits i canals per on circula l’aigua de boca amb una capa que contingui grans molt petits de terra escalfada, que alhora conté cristalls nanomètrics d’òxid de ferro, es contribueix a la salubritat de l’aigua tot eliminant les molècules orgàniques que hagin pogut caure-hi en el camí i impedint el desenvolupament de microorganismes. O sigui, que disposem d’un biocida no tòxic i permanent disposat en les parets d’aquestes estructures. 

Revestiment del canal de desguàs del teatre romà de Tarragona i fotomicrografia d'una secció polida de la capa vermella: és un tractament de calç amb terra amb òxid de ferro (hematites)

Aquests són els revestiments que es poden trobar intencionadament aplicats en les obres hidràuliques romanes i quina tècnica i ús ha perdurat al llarg de segles fins l’època moderna.

Dipòsit d'aigua (Roma); es conserva parcialment el
revestitment vermell a la base dels murs

Actualment, podem fer morters i revestiments amb aquestes propietats sense que siguin necessàriament vermells: hi ha productes que no modifiquen el color... i encara podem anar una mica més lluny fent que aquestes capes siguin superhidròfiles, augmentant la seva capacitat d’autoneteja. Però ara disposem de mitjans analítics de gran potència que els romans ni es van imaginar, tot i que eren capaços de crear capes nanoestructurades per aprofitar la fotocatàlisis fent biocides 2.0.