Den här bilden visar en död E coli bakterie (stavform i mitten) samlad i ett filter efter behandling med ny Stanford nanoscavenger. Kredit:Mingliang Zhang, Stanford School of Engineering.
(Phys.org) – Bland dess många talanger, silver är ett antibiotikum. Titandioxid är känt för att klämma på vissa tungmetaller och föroreningar. Ännu andra material gör samma sak för salt. På senare år har miljöingenjörer har försökt desinficera, förorena, och avsalta förorenat vatten med hjälp av nanoskaliga partiklar av dessa aktiva material. Ingenjörer kallar dem nanoscavengers. Problemet ur teknisk synvinkel är att det är nästan omöjligt att återvinna nanoscavengers en gång i vattnet.
I en tidning publicerad online 14 maj i tidskriften Naturkommunikation , ett tvärvetenskapligt team av ingenjörer vid Stanford University meddelade att de har utvecklat en ny typ av nanoscavenger med en syntetisk kärna som är ultrakänslig för magnetism, möjliggör enkel och effektiv återhämtning av praktiskt taget var och en av renarna i nanoskala.
"I förorenat vatten, nanoscavengers flyter runt, slumpmässigt stöta på och döda bakterier eller fästa sig vid de olika molekylära föroreningarna de är ute efter, sa Shan Wang, studiens seniorförfattare och professor i materialvetenskap och teknik och tillsammans i elektroteknik vid Stanford. "Sedan, när föroreningarna antingen har fastnat i nanoscavengern eller är döda, magneten slås på och partiklarna försvinner."
Ultralyhörd för magnetism
Användningen av magnetism för att återvinna nanoscavengers är inte ny. Det finns kommersiella teknologier idag som har format nanoscavengers med en kärna av magnetisk järnoxid omgiven av ett aktivt material, men dessa geniala metoder är mindre än perfekta. Järnoxid är inte absolut känslig för magnetism och för många nanoscavengers finns kvar i vattnet för att det ska anses vara säkert för mänskligt bruk.
Stanford-förskottet ersätter järnoxiden med ett syntetiskt material. Stanfords kärna är, i verkligheten, inte ett enda material, men en skiva av flera lager. Magnetiska yttre skikt av det syntetiska materialet är inklämda på vardera sidan av ett titancentrum, men med en twist.
Den här bilden visar skivliknande syntetiska nanoscavengers samlade magnetiskt. Kredit:Mingliang Zhang, Stanford School of Engineering.
"De magnetiska momenten för de två yttre skikten är motsatta. Det vill säga, riktningen för den magnetiska kraften i det översta lagret och det undre lagret pekar i motsatta riktningar, effektivt upphäver materialets magnetiska egenskaper, sa Mingliang Zhang, en doktorand i materialvetenskap och teknik och medförfattare till studien.
Det vill säga, i sitt naturliga tillstånd, de nya nanoscavengers är inte magnetiska. De skulle inte attraheras av ett annat magnetiskt material, till exempel. När kompositskivorna utsätts för ett starkt magnetfält, dock, magnetismen hos de två motsatta fälten förvandlas till inriktning, förstärker den magnetiska effekten.
Tester sida vid sida
Genom att göra så, nanoscavengers blir ultrakänsliga för magnetism, mycket mer än den basjärnoxid som används i dagens teknologier. Stanford-teamet har kallat sitt framsteg med det oxymoroniska namnet:"syntetiska antiferromagnetiska kärnor." Prefixet anti- betyder i detta fall i motsatt riktning, inte omagnetisk.
Med en framgångsrik kärna skapad, forskarna täcker sedan det hela med silver eller titandioxid eller annat reaktivt material beroende på vilken förorening de riktar sig mot. I live-tester med silvertäckta nanoscavengers nedsänkta i vatten besmittat med E coli bakterier – med en silverdos på bara 17 delar per miljon – kunde Stanford-teamet döda 99,9 % av bakterierna på bara 20 minuter. Ännu bättre, de tog bort praktiskt taget alla nanoscavengers på bara fem minuters exponering för en permanent magnet.
Sida-vid-sida tester av effektiviteten av samma magnet på järnoxidkärna nanoscavengers visar en snabb insamling av cirka 20 procent av nanocavengers på samma fem minuter, men sedan effektplatåerna. Efter minut 20, nästan åtta av tio järnoxidkärna nanofångare fortfarande kvar i vattnet.
One-pot lösningen
Efter att ha demonstrerat en fungerande prototyp, teamet bygger nu olika iterationer av sina nanoscavengers med olika reaktiva exteriörer för att rikta in sig på specifika föroreningar, samt en ny klass av lite större nanoscavengers som kan bära diskreta band av flera olika reaktanter.
"Vår förhoppning är att en dag skapa en "one-pot-lösning" som tar itu med vatten som drabbats av en mångsidig blandning av föroreningar. Det skulle vara en nyckelteknologi för utvecklingsländer och torra länder där vattenkvalitet och -kvantitet är av avgörande betydelse, " lade Xing Xie till, en doktorand i civil- och miljöteknik och medförfattare till uppsatsen.
