Denna nanostrukturerade enhet, ungefär hälften så stort som ett frimärke, använder solljus för att snabbt desinficera vatten. Den består av tunna flingor av molybdendisulfid anordnade som väggar på en glasyta och toppade med ett tunt lager av koppar. Ljus som faller på väggarna utlöser bildning av väteperoxid (H2O2) och andra "reaktiva syrearter" som dödar bakterier. Kredit:C. Liu et al., Naturens nanoteknik
I många delar av världen, det enda sättet att göra bakterievattnet säkert är genom att koka, som förbrukar värdefullt bränsle, eller genom att lägga ut den i solen i en plastflaska så att ultravioletta strålar dödar mikroberna. Men eftersom UV-strålar bara bär 4 procent av solens totala energi, UV-metoden tar sex till 48 timmar, begränsa mängden vatten som människor kan desinficera på detta sätt.
Nu har forskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory och Stanford University skapat en nanostrukturerad enhet, ungefär hälften så stort som ett frimärke, som desinficerar vatten mycket snabbare än UV-metoden genom att också använda den synliga delen av solspektrumet, som innehåller 50 procent av solens energi.
I experiment som rapporterades idag i Naturens nanoteknik , solljus som föll på den lilla enheten utlöste bildandet av väteperoxid och andra desinficerande kemikalier som dödade mer än 99,999 procent av bakterierna på bara 20 minuter. När deras arbete var klart försvann de mördande kemikalierna snabbt, lämnar rent vatten bakom sig.
"Vår enhet ser ut som en liten rektangel av svart glas. Vi släppte den i vattnet och lade allt under solen, och solen gjorde allt arbete, " sa Chong Liu, huvudförfattare till rapporten. Hon är postdoktor i laboratoriet i Yi Cui, en SLAC/Stanford docent och utredare med SIMES, Stanford Institute for Materials and Energy Sciences vid SLAC.
Nanoflake-väggar och ivriga elektroner
Under ett elektronmikroskop ser enhetens yta ut som ett fingeravtryck, med många tätt åtskilda linjer. Dessa linjer är mycket tunna filmer - forskarna kallar dem "nanoflingor" - av molybdendisulfid som är staplade på kanten, som väggarna i en labyrint, ovanpå en rektangel av glas.
En elektronmikrograf visar mönstret av nanostrukturerade väggar på enhetens yta. Ploppade ner i ett prov av förorenat vatten och placerades i solljus, den dödade mer än 99,999 procent av bakterierna på bara 20 minuter. Kredit:C. Liu et al., Naturens nanoteknik
I det vanliga livet, molybdendisulfid är ett industriellt smörjmedel. Men som många material, den får helt andra egenskaper när den görs i lager bara några atomer tjocka. I det här fallet blir det en fotokatalysator:När den träffas av inkommande ljus, många av dess elektroner lämnar sina vanliga platser, och både elektronerna och "hålen" de lämnar efter sig är ivriga att delta i kemiska reaktioner.
Genom att göra deras molybdendisulfidväggar i precis rätt tjocklek, forskarna fick dem att absorbera hela området av synligt solljus. Och genom att toppa varje liten vägg med ett tunt lager koppar, som också fungerar som en katalysator, de kunde använda det solljuset för att utlösa exakt de reaktioner de ville ha - reaktioner som producerar "reaktiva syrearter" som väteperoxid, ett vanligt desinfektionsmedel, som dödar bakterier i det omgivande vattnet.
Molybdendisulfid är billigt och lätt att göra - en viktig faktor när man tillverkar enheter för utbredd användning i utvecklingsländer, sa Cui. Den absorberar också ett mycket bredare spektrum av solvåglängder än traditionella fotokatalysatorer.
Lösning av föroreningsproblem
Metoden är inte ett botemedel; till exempel, det tar inte bort kemiska föroreningar från vattnet. Hittills har det bara testats på tre bakteriestammar, även om det inte finns någon anledning att tro att det inte skulle döda andra bakteriestammar och andra typer av mikrober, såsom virus. Och det har bara testats på bakterier blandade med vatten i labbet, inte på de komplexa grytor av föroreningar som finns i den verkliga världen.
Fortfarande, "Det är väldigt spännande att se att genom att bara designa ett material kan du uppnå en bra prestanda. Det fungerar verkligen, sa Liu, som har arbetat vidare med ett projekt i Cuis labb som utvecklar luftfilter för att bekämpa smog. "Vår avsikt är att lösa miljöföroreningsproblem så att människor kan leva bättre."
