Många mänskligt skapade föroreningar i miljön motstår nedbrytning genom naturliga processer, och störa hormonella och andra system hos däggdjur och andra djur. Att ta bort dessa giftiga material – som inkluderar bekämpningsmedel och hormonstörande ämnen som bisfenol A (BPA) – med befintliga metoder är ofta dyrt och tidskrävande.
I en ny tidning som publicerades denna vecka i Naturkommunikation , forskare från MIT och Federal University of Goiás i Brasilien demonstrerar en ny metod för att använda nanopartiklar och ultraviolett (UV) ljus för att snabbt isolera och extrahera en mängd olika föroreningar från mark och vatten.
Ferdinand Brandl och Nicolas Bertrand, de två huvudförfattarna, är tidigare postdoktorer i Robert Langers laboratorium, David H. Koch Institute Professor vid MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research. (Eliana Martins Lima, vid Federal University of Goiás, är den andra medförfattaren.) Både Brandl och Bertrand är utbildade till farmaceuter, och beskriver deras upptäckt som en lycklig olycka:De försökte initialt utveckla nanopartiklar som kunde användas för att leverera läkemedel till cancerceller.
Brandl hade tidigare syntetiserat polymerer som kunde klyvas isär genom exponering för UV-ljus. Men han och Bertrand kom att ifrågasätta deras lämplighet för läkemedelstillförsel, eftersom UV-ljus kan vara skadligt för vävnader och celler, och tränger inte igenom huden. När de fick reda på att UV-ljus användes för att desinficera vatten i vissa reningsverk, de började ställa en annan fråga.
"Vi tänkte om de redan använder UV-ljus, kanske de kan använda våra partiklar också, " säger Brandl. "Sedan kom vi på idén att använda våra partiklar för att ta bort giftiga kemikalier, föroreningar, eller hormoner från vatten, eftersom vi såg att partiklarna aggregerar när du bestrålar dem med UV-ljus."
En fälla för "vattenrädsla" föroreningar
Forskarna syntetiserade polymerer från polyetylenglykol, en allmänt använd förening som finns i laxermedel, tandkräm, och ögondroppar och godkänd av Food and Drug Administration som en livsmedelstillsats, och polymjölksyra, en biologiskt nedbrytbar plast som används i komposterbara koppar och glas.
Nanopartiklar tillverkade av dessa polymerer har en hydrofob kärna och ett hydrofilt skal. På grund av krafter i molekylär skala, i en lösning rör sig hydrofoba föroreningsmolekyler mot de hydrofoba nanopartiklarna, och adsorbera på deras yta, där de effektivt blir "fångade". Samma fenomen är verkande när spagettisås färgar ytan på plastbehållare, gör dem röda:I så fall, både plasten och den oljebaserade såsen är hydrofoba och interagerar tillsammans.
Om den lämnas ensam, dessa nanomaterial skulle förbli suspenderade och fördelade jämnt i vatten. Men när den utsätts för UV-ljus, det stabiliserande yttre skalet av partiklarna avges, och – nu "berikade" av föroreningarna – de bildar större aggregat som sedan kan avlägsnas genom filtrering, sedimentering, eller andra metoder.
Forskarna använde metoden för att extrahera ftalater, hormonstörande kemikalier som används för att mjuka upp plast, från avloppsvatten; BPA, en annan hormonstörande syntetisk förening som ofta används i plastflaskor och andra hartshaltiga konsumentvaror, från prover av termiskt tryckpapper; och polycykliska aromatiska kolväten, cancerframkallande föreningar som bildas vid ofullständig förbränning av bränslen, från förorenad jord.
Processen är irreversibel och polymererna är biologiskt nedbrytbara, minimera riskerna med att lämna giftiga sekundära produkter kvar i, säga, en vattenmassa. "När de väl byter till den här makrosituationen där de är stora klumpar, " säger Bertrand, "du kommer inte att kunna föra dem tillbaka till nanotillståndet igen."
Det grundläggande genombrottet, enligt forskarna, bekräftade att små molekyler verkligen adsorberar passivt på ytan av nanopartiklar.
"Som vi förstår det, det är första gången som växelverkan mellan små molekyler och förformade nanopartiklar kan mätas direkt, " skriver de i Nature Communications.
Nano rengöring
Ännu mer spännande, de säger, är det breda utbudet av potentiella användningsområden, från miljösanering till medicinsk analys.
Polymererna syntetiseras vid rumstemperatur, och behöver inte vara speciellt förberedda för att rikta in sig på specifika föreningar; de är allmänt tillämpliga på alla typer av hydrofoba kemikalier och molekyler.
"De interaktioner vi utnyttjar för att ta bort föroreningarna är ospecifika, " säger Brandl. "Vi kan ta bort hormoner, BPA, och bekämpningsmedel som alla finns i samma prov, och vi kan göra detta i ett steg."
Och nanopartiklarnas höga förhållande mellan yta och volym gör att det bara behövs en liten mängd för att ta bort en relativt stor mängd föroreningar. Tekniken skulle därmed kunna erbjuda potential för kostnadseffektiv sanering av förorenat vatten och mark i en bredare skala.
"Ur ett tillämpat perspektiv, vi visade i ett system att adsorptionen av små molekyler på ytan av nanopartiklarna kan användas för extraktion av alla slag, " säger Bertrand. "Det öppnar dörren för många andra tillämpningar längre fram."
Detta tillvägagångssätt skulle möjligen kunna vidareutvecklas, han spekulerar, att ersätta den utbredda användningen av organiska lösningsmedel för allt från koffeinfritt kaffe till att göra färgförtunningsmedel. Bertrand citerar DDT, förbjudet för användning som bekämpningsmedel i USA sedan 1972 men fortfarande allmänt använt i andra delar av världen, som ett annat exempel på en långlivad förorening som potentiellt skulle kunna saneras med dessa nanomaterial. "Och för analytiska applikationer där du inte behöver så mycket volym för att rena eller koncentrera, detta kan vara intressant, " säger Bertrand, erbjuder exemplet med ett billigt testkit för urinanalys av medicinska patienter.
Studien föreslår också den bredare potentialen för att anpassa läkemedelsleveranstekniker i nanoskala som utvecklats för användning i miljösanering.
"Att vi kan tillämpa några av de mycket sofistikerade, högprecisionsverktyg utvecklade för läkemedelsindustrin, och nu titta på användningen av dessa tekniker i bredare termer, är fenomenal, säger Frank Gu, en biträdande professor i kemiteknik vid University of Waterloo i Kanada, och en expert på nanoteknik för hälsovård och medicinska tillämpningar.
"När du tänker på fältplacering, det är långt på vägen, men detta papper erbjuder en riktigt spännande möjlighet att lösa ett problem som ständigt är närvarande, säger Gu, som inte var involverad i forskningen. "Om du tar den normala konventionella civilingenjörs- eller kemiteknikmetoden för att behandla det, det kommer bara inte att röra det. Det är där den mest spännande delen är."
Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
