Mikroskopiskt, "nanomembran"-ark tillverkade av nylon liknar en trasslig väv. De små järnoxidpartiklarna på fiberytorna kan hjälpa till att rensa giftiga kemikalier från vatten, men om partiklarna separeras från nätet, de kan själva bli faror.

I en ny studie, Cornell-forskare undersökte dessa speciella nylonskivor – fyllda med applicerade järnoxidpartiklar i nanoskala – för att se om partiklarna tvättas loss.

Partiklarna fungerar som magneter för att fånga bakterier och virus, och att extrahera kemikalier eller färgämnesmolekyler ur vatten. Membran med dessa partiklar fästa kan användas i enheter för att upptäcka vattenföroreningar eller i filter för att ta bort kemikalier eller färgämnen från industriavfall. Dock, att vara effektiv och säker, partiklarna behöver stanna på membranet. Studien utvärderade nanopartikelbehandlingens enhetlighet och partikelretention av nylonmembranen när de bearbetades (eller tvättades) i lösningar med varierande pH-nivåer.

"Det är avgörande att utvärdera partikelretention och stabilitet på fibrer för att minska människors hälsa och miljöproblem, sa Nidia Trejo, en Cornell doktorand inom fibervetenskap. Trejo, som med Margaret Frey, professor i fibervetenskap, författade studien, "En jämförande studie på elektrosprayad, lager på lager, och kemiskt ympade nanomembran laddade med järnoxidnanopartiklar, "i Journal of Applied Polymer Science , 14 juli.

Nanomembran-arkstrukturen ser ut som ett torkduk men är gjord av lager av små, slumpmässigt orienterade fibrer som endast kan ses med elektronmikroskop. Dessa nanomembran har ett högt förhållande mellan yta och volym, vilket förbättrar materialets funktion.

Tillverkningsmetoderna varierar beroende på i vilka vätskemiljöer membranen skulle användas. Att fästa nanopartiklar av järnoxid till nylonfiber sker på tre sätt:elektrosprayning, vilket underlättar enhetlig placering av nanopartiklar i fibrerna; lager för lager montering, där partiklar är belagda på fibern elektrostatiskt; eller kemisk bindning.

"För membranet, det är viktigt att utvärdera partikelretention och stabilitet, " Trejo förklarade. "Du skulle vilja att nanopartiklarna stannar på Nylon 6-membranen så att materialet kan fungera under hela livets användning. Om materialet används för rening av avloppsvatten, du skulle inte vilja att partiklarna själva ska bli föroreningar om de släpper ut från membranen och ut i vattnet."

En rad toppmoderna faciliteter på campus användes av forskarna. Cornell Center for Materials Research (finansierat genom National Science Foundations Materials Research Science and Engineering Center-program) stödde denna studie genom sina gemensamma faciliteter. Dessutom, Cornells Nanobiotechnology Center och Cornell Nutrient Analysis Laboratory stödde denna forskning.

KAN NANOFIBER RÄDDA DITT LIV?

Forskare i professor Margaret Freys labb skapar fibrer hundratals gånger tunnare än ett människohår som kan fånga upp giftiga kemikalier och patogener. Fibrerna har designats och kombinerats för att förhindra spridning av jordbrukskemikalier och för att fånga upp giftiga ämnen i vätskor.

Mycket liten, komplexa enheter tillverkas traditionellt i högteknologiska renrum med hjälp av dyr utrustning och kostsamt material, som guld. Frey och hennes kollegor ersätter den kostnaden genom att göra enheterna med nanofibrer av plast, utanför rena rummet, använder en billig, skalbar process:elektrospinning.

Använda nanofibrer, processer som görs i ett medicinskt testlabb – till exempel, reningsprover, blanda ingredienser, fånga bakterier – kan göras med material som är ungefär lika stora som en kortlek. Fibrerna är snabba, enkelt och billigt sätt att koncentrera sig på E. coli, koleratoxin eller cancerframkallande ämnen och för att förbättra detektionens noggrannhet. Så småningom, dessa fibrer kommer att ingå i enheter som är lika billiga och lätta att använda som graviditetstest hemma och kommer att diagnostisera sjukdomar utan att kräva specialiserade laboratorier – särskilt användbara i regioner med begränsad tillgång till läkare och sjukhus.

För att förhindra att bekämpningsmedel skadar miljön, Frey och hennes elever har kapslat in bekämpningsmedel i biologiskt nedbrytbara nanofibrer. Detta håller dem intakta tills de behövs eller ser till att de inte tvättas bort från växterna de skyddar. The delivery system is created by electrospinning solutions of cellulose, the pesticide and polylactic acid – a polymer derived from corn.

The materials are biodegradable and derived from renewable resources. "The chemical is protected, so it won't degrade from being exposed to air and water, " Frey said, explaining that this keeps the chemical where it needs to be and allows it to time-release. "By allowing rapid detection of disease and preventing agricultural chemical release into the environment, these nanofibers just might save a life, " Hon sa.