Η πρόοδος της τεχνολογίας έχει βελτιώσει θεαματικά τη ζωή μας, αλλά έχει αφήσει και ένα αυξανόμενο περιβαλλοντικό αποτύπωμα. Οι υδάτινοι πόροι βρίσκονται στο επίκεντρο αυτής της πρόκλησης: ενώ η ζήτηση για καθαρό νερό αυξάνεται, τα διαθέσιμα αποθέματα επιβαρύνονται από πλήθος ανθρωπογενών ρύπων. Είναι γνωστό, όπως αποκαλύπτουν και οι σύγχρονες αναλυτικές τεχνικές, ότι ανιχνεύονται σε ποτάμια, λίμνες, υπόγεια ύδατα και ακόμη και στο πόσιμο νερό ίχνη φαρμακευτικών καταλοίπων, προϊόντων προσωπικής φροντίδας, φυτοφαρμάκων και βιομηχανικών ουσιών σε συγκεντρώσεις της τάξης των μικρο- και νανογραμμαρίων ανά λίτρο.
Ιδιαίτερη ανησυχία μάλιστα προκαλούν τα φαρμακευτικά κατάλοιπα. Παρότι τα φάρμακα αποτελούν κατάκτηση της επιστήμης, η ευρεία χρήση τους έχει οδηγήσει στη διάχυσή τους στο υδάτινο περιβάλλον. Υπολείμματα αντιβιοτικών και άλλων δραστικών ενώσεων ανιχνεύονται παγκοσμίως, ενώ η χρόνια έκθεση οικοσυστημάτων σε μείγματα ουσιών δημιουργεί αβεβαιότητες ως προς τις μακροπρόθεσμες επιπτώσεις. Είναι ήδη σαφές ότι η παρουσία αντιβιοτικών στο περιβάλλον συμβάλλει στην ανάπτυξη ανθεκτικών μικροοργανισμών, με σοβαρές συνέπειες για τη δημόσια υγεία. Η αναβάθμιση των τεχνολογιών επεξεργασίας λυμάτων αποτελεί, επομένως, επιτακτική ανάγκη.
Στο πλαίσιο αυτό, οι προηγμένες διεργασίες οξείδωσης και ειδικότερα η ετερογενής φωτοκατάλυση αναδεικνύονται ως πολλά υποσχόμενες λύσεις. Η φωτοκατάλυση αξιοποιεί ημιαγώγιμα υλικά τα οποία, όταν ακτινοβοληθούν με φως κατάλληλης ενέργειας, δημιουργούν ζεύγη ηλεκτρονίων και οπών. Εφόσον τα φορτία αυτά φτάσουν στην επιφάνεια του υλικού πριν επανασυνδεθούν, αντιδρούν με το νερό και το οξυγόνο σχηματίζοντας ισχυρά οξειδωτικά είδη, όπως οι ρίζες υδροξυλίου. Οι ρίζες αυτές μπορούν να διασπάσουν μη επιλεκτικά οργανικούς και ανόργανους ρύπους, οδηγώντας τελικά στην οξείδωσή τους σε απλούστερες και λιγότερο επιβλαβείς ενώσεις.
Μεταξύ των πλέον μελετημένων φωτοκαταλυτών είναι το διοξείδιο του τιτανίου, το οποίο διακρίνεται για τη σταθερότητα και τη χαμηλή του τοξικότητα. Ωστόσο, η απόδοσή του περιορίζεται από την επανασύνδεση των φωτοπαραγόμενων φορέων φορτίου. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος αναπτύσσονται στρατηγικές όπως η δημιουργία ετεροεπαφών μεταξύ διαφορετικών ημιαγωγών, η χρήση συν-καταλυτών που λειτουργούν ως «παγίδες» ηλεκτρονίων, καθώς και η νανοδόμηση των υλικών ώστε να μειώνεται η απόσταση που διανύουν τα φορτία έως την επιφάνεια.
Μια περαιτέρω εξέλιξη είναι η φωτο-ηλεκτροκατάλυση, όπου εφαρμόζεται εξωτερικό δυναμικό για την ενίσχυση του διαχωρισμού των φορτίων. Η τεχνολογία αυτή επιτρέπει όχι μόνο την αποδοτικότερη αποδόμηση ρύπων αλλά και τη σύζευξη με την παραγωγή «πράσινου» υδρογόνου. Υπό κατάλληλες συνθήκες, τα φωτοπαραγόμενα ηλεκτρόνια μπορούν να ανάγουν το νερό προς υδρογόνο (H₂), ενώ οι οργανικοί ρύποι οξειδώνονται. Ετσι, η απορρύπανση του νερού συνδυάζεται με την αποθήκευση της ηλιακής ενέργειας σε μορφή καθαρού καυσίμου – μια διπλή περιβαλλοντική ωφέλεια.
Καθοριστικός παράγοντας για την αποδοτικότητα των συστημάτων αυτών είναι η αποτελεσματική συλλογή του ηλιακού φωτός. Πολλοί σταθεροί φωτοκαταλύτες απορροφούν κυρίως στο υπεριώδες, που αποτελεί μικρό τμήμα του ηλιακού φάσματος. Για την αξιοποίηση του ορατού φωτός εφαρμόζονται τεχνικές όπως η εισαγωγή ετεροατόμων στο κρυσταλλικό πλέγμα ή η χρήση πλασμονικών νανοσωματιδίων. Ιδιαίτερα καινοτόμος είναι η χρήση φωτονικών κρυστάλλων – περιοδικών δομών που ελέγχουν τη διάδοση του φωτός και ενισχύουν την αλληλεπίδρασή του με την ύλη. Στα όρια του φωτονικού χάσματος, το φως επιβραδύνεται («αργά φωτόνια»), αυξάνοντας την απορρόφηση φωτός και βελτιώνοντας την απόδοση των φωτοηλεκτροχημικών διεργασιών.
Για να δώσει απαντήσεις και λύσεις στα παραπάνω, το Πανεπιστήμιο Αθηνών και το εργαστήριο του Τομέα Φυσικής Συμπυκνωμένης Ύλης του Τμήματος Φυσικής αναπτύσσουν προηγμένες φωτονικές νανοδομές με βάση μεταλλικά οξείδια, πλασμονικά νανοσωματίδια και νανοϋλικά άνθρακα για περιβαλλοντικές και ενεργειακές εφαρμογές. Η έρευνα εστιάζει στον έλεγχο της μορφολογίας και της ηλεκτρονικής δομής των υλικών, με στόχο τη βέλτιστη συλλογή φωτός και τον αποτελεσματικό διαχωρισμό φορτίου. Σε συνεργασία με το Εργαστήριο Αναλυτικής Χημείας του Ιδρύματος, μελετάται η φωτοηλεκτροκαταλυτική αποδόμηση φαρμακευτικών ρύπων με χρήση ευαίσθητων αναλυτικών τεχνικών για την παρακολούθηση των αντιδράσεων.
Παρότι η τεχνολογία βρίσκεται ακόμη σε στάδιο βελτιστοποίησης, οι προοπτικές της είναι ιδιαίτερα ελπιδοφόρες. Η ανάπτυξη σταθερών και οικονομικά βιώσιμων υλικών, καθώς και ο σχεδιασμός αποδοτικών αντιδραστήρων μεγάλης κλίμακας αποτελούν τα επόμενα βήματα. Η σύζευξη νανοτεχνολογίας και ηλιακής ενέργειας προσφέρει ένα ελκυστικό όραμα: καθαρό νερό και καθαρή ενέργεια μέσα από ενιαία, βιώσιμα συστήματα.
