(PhysOrg.com)-Genom att doppa vanlig bomullstyg i en högteknologisk buljong full av silver nanotrådar och kolnanorör, Stanford-forskare har utvecklat en ny höghastighets, lågkostnadsfilter som lätt kan implementeras för att rena vatten i utvecklingsländerna.

Istället för att fysiskt fånga bakterier som de flesta befintliga filter gör, det nya filtret låter dem rinna igenom med vattnet. Men när patogenerna har passerat, de har också gått vidare, eftersom enheten dödar dem med ett elektriskt fält som går genom den mycket ledande "nanobelagda" bomullen.

I labbtester, över 98 procent av Escherichia coli-bakterier som exponerades för 20 volt elektricitet i filtret i flera sekunder dödades. Flera lager tyg användes för att göra filtret 2,5 tum tjockt.

"Detta ger verkligen en ny vattenreningsmetod för att döda patogener, "sa Yi Cui, docent i materialvetenskap och teknik. "Det kan enkelt användas i avlägsna områden där människor inte har tillgång till kemiska behandlingar som klor."

Kolera, tyfus och hepatit är bland de vattenburna sjukdomarna som är ett fortsatt problem i utvecklingsländerna. Cui sa att det nya filtret skulle kunna användas i vattenreningssystem från städer till små byar.

Snabbare filtrering genom att släppa igenom bakterier

Filter som fysiskt fångar upp bakterier måste ha porösa utrymmen som är tillräckligt små för att patogenerna inte ska glida igenom, men det begränsar filtrens flödeshastighet.

Eftersom det nya filtret inte fäller bakterier, det kan ha mycket större porer, tillåta vattnet att rusa igenom i en snabbare takt.

"Vårt filter är cirka 80, 000 gånger snabbare än filter som fångar bakterier, " sa Cui. Han är seniorförfattare till en artikel som beskriver forskningen som kommer att publiceras i ett kommande nummer av Nano bokstäver . Tidningen är tillgänglig online nu.

De större porutrymmena i Cuis filter förhindrar också att det blir igensatt, vilket är ett problem med filter som fysiskt drar ut bakterier ur vattnet.

Cuis forskargrupp samarbetade med Sarah Heilshorns, en biträdande professor i materialvetenskap och teknik, vars grupp tog sin expertis inom bioteknik på design av filtren.

Silver har länge varit känt för att ha kemiska egenskaper som dödar bakterier. "Under dagarna före pastörisering och kylning, människor skulle ibland släppa silver dollar i mjölkflaskor för att bekämpa bakterier, eller ens svälja det, " sa Heilshorn.

Kuis grupp visste från tidigare projekt att kolnanorör var bra elektriska ledare, så forskarna resonerade att de två materialen i samverkan skulle vara effektiva mot bakterier. "Det här tillvägagångssättet tar verkligen silver ur folkmedicinska riket och in i en högteknologisk miljö, där det är mycket mer effektivt, " sa Heilshorn.

Att använda det vanliga håller nere kostnaderna

Men forskarna ville också designa filtren så att de var så billiga som möjligt. Mängden silver som användes för nanotrådarna var så liten att kostnaden var försumbar, Sa Cui. Fortfarande, de behövde ett grundmaterial som var "billigt, allmänt tillgänglig och kemiskt och mekaniskt robust. "Så de gick med vanligt vävt bomullstyg.

"Vi fick det på Wal-mart, "Sa Cui.

För att förvandla deras rabattbutiksbomull till ett filter, de doppade det i en lösning av kolnanorör, låt det torka, doppade den sedan i silver nanotrådslösningen. De försökte också blanda båda nanomaterialen tillsammans och göra en enda dunk, som också fungerade. De låter bomullen dra i åtminstone några minuter, ibland upp till 20, men det var allt som behövdes.

Den stora fördelen med nanomaterialen är att deras lilla storlek gör det lättare för dem att hålla fast vid bomullen, sa Cui. Nanotrådarna sträcker sig från 40 till 100 miljarddelar av en meter i diameter och upp till 10 miljondelar av en meter i längd. Nanorören var bara några miljoner dunders meter långa och lika smala som en enda miljarddels meter. Eftersom nanomaterialen fastnar så bra, nanorören skapar en mjuk, kontinuerlig yta på bomullsfibrerna. De längre nanotrådarna har i allmänhet ena änden fäst med nanorören och den andra änden förgrenar sig, peta in i tomrummet mellan bomullsfibrer.

"Med en kontinuerlig struktur längs längden, du kan flytta elektronerna mycket effektivt och verkligen göra filtret mycket ledande, " sa han. "Det betyder att filtret kräver mindre spänning."

Minimal el krävs

Den elektriska ström som hjälper till att döda är bara några milliamper stark - knappt tillräckligt för att orsaka en stickande känsla hos en person och lätt levereras av en liten solpanel eller ett par 12 -volts bilbatterier. Den elektriska strömmen kan också genereras från en stationär cykel eller av en handvevad anordning.

Det låga elbehovet för det nya filtret är en annan fördel jämfört med de som fysiskt filtrerar bakterier, som använder elektriska pumpar för att tvinga vatten genom sina små porer. Dessa pumpar tar mycket elektricitet för att fungera, sa Cui.

I några av laboratorietester av nanofiltret, den elektricitet som behövs för att driva ström genom filtret var bara en femtedel av vad en filtreringspump skulle ha behövt för att filtrera en jämförbar mängd vatten.

Porerna i nanofiltret är tillräckligt stora för att ingen pumpning behövs - tyngdkraften räcker för att vattnet ska gå fort.

Även om det nya filtret är utformat för att låta bakterier passera, en extra fördel med att använda silver -nanotråden är att om några bakterier skulle dröja kvar, silvret skulle sannolikt döda det. Detta undviker biofouling, där bakterier bildar en film på ett filter. Bioförorening är ett vanligt problem i filter som använder små porer för att filtrera bort bakterier.

Cui sa att elektriciteten som passerar genom det ledande filtret också kan förändra pH i vattnet nära filterytan, vilket kan öka dess dödlighet mot bakterierna.

Cui sa att nästa steg i forskningen är att testa filtret på olika typer av bakterier och att köra tester med flera på varandra följande filter.

"Med ett filter, vi kan döda 98 procent av bakterierna, " sa Cui. "För dricksvatten, du vill inte ha några levande bakterier i vattnet, så vi måste använda flera filtersteg."

Cuis forskargrupp har nyligen uppmärksammats för att använda nanomaterial för att bygga batterier av papper och tyg.