Oceaniska oljeutsläpp är svåra att städa upp. De färgar fjädrar en sirapsliknande sepia och garva fiskägg en giftig nyans. Ju mer turbulenta vatten, ju längre halkan sprider sig, med bläckdroppar som sjunker ner i saltdjupet.

Nu kan tekniken kanske lyckas där hårt arbetande volontärer misslyckats tidigare. Forskare vid A*STAR Institute of Bioengineering and Nanotechnology (IBN) använder nanovetenskap för att förvandla ett oljeutsläpp till en flytande massa brun gelé som kan tas upp innan det kan ta sig in i näringskedjan.

"Nanovetenskap gör det möjligt att skräddarsy materialets väsentliga strukturer i nanometerskala för att uppnå specifika egenskaper, säger kemisten Yugen Zhang på IBN, som utvecklar några av teknikerna. "Strukturer och material i nanometerstorleksintervallet antar ofta distinkta egenskaper som inte syns i andra storleksintervall, "tillägger Huaqiang Zeng, en annan kemist på IBN.

Jelly slick

Det finns många sätt att städa ett oljeutsläpp, och ingen är helt effektiv. Färsk, tjockt fett kan tändas i brand eller hållas inne av flytande barriärer så att skummare kan ösa ur. Slicket kan också härdas ineffektivt, rörigt absorberad, farligt spridd, eller långsamt konsumeras av oljebetande bakterier. Alla dessa är bristfälliga i stor skala, speciellt i grova vatten.

Organiska molekyler med speciella gelningsförmåga erbjuder en billig, enkelt och miljövänligt alternativ för att städa upp i röran. Zeng har utvecklat flera sådana molekyler som förvandlar råolja till gelé inom några minuter.

För att skapa sina "supergelatorer", Zeng designade molekylerna för att associera med varandra utan att bilda fysiska bindningar. När det sprutas på förorenat havsvatten, molekylerna buntas omedelbart i långa fibrer mellan 40 och 800 nanometer breda. Dessa trådar skapar en väv som fångar upp den mellanliggande oljan i en gigantisk klump som flyter på vattenytan. Gunk kan sedan snabbt siktas ur havet. Värdefull råolja kan senare återvinnas med en vanlig teknik som används av petroleumraffinaderier som kallas fraktionerad destillation.

Zeng testade supergelatorerna på fyra typer av råolja med olika densiteter, viskositeter och svavelnivåer i en liten rund skål. Resultaten var imponerande. "Supergelatorerna stelnade både nyspilld råolja och starkt väderbiten råolja 37 till 60 gånger sin egen vikt, "säger Zeng. Materialen som används för att producera dessa organiska molekyler är billiga och giftfria, vilket gör dem till en kommersiellt lönsam lösning för att hantera olyckor ute till havs. Zeng hoppas kunna arbeta med industriella partners för att testa nanomolekylerna i mycket större skala.

Osalt vatten

Forskare vid IBN använder också nanovetenskap för att ta bort salt från havsvatten och tungmetaller från förorenat vatten.

Med minskande globala färskvatten- och grundvattenreserver, många länder söker avsaltning som en livskraftig källa till dricksvatten. Avsaltning förväntas möta 30 procent av Singapores vattenbehov år 2060, vilket kommer att innebära en tredubbling av landets nuvarande avsaltningskapacitet. Men avsaltning kräver enorm energiförbrukning och omvänd osmos, den vanliga tekniken det beror på, har en relativt hög kostnad. Omvänd osmos fungerar genom att använda extrema tryck för att pressa vattenmolekyler genom tätt stickade membran.

En ny alternativ lösning efterliknar hur proteiner är inbäddade i cellmembran, kallas aquaporiner, kanalisera vatten in och ut. Vissa forskargrupper har till och med skapat membran gjorda av feta lipidmolekyler som kan rymma naturliga akvaporiner. Zeng har tagit fram en billigare och mer motståndskraftig ersättare.

Hans byggstenar består av spiralformade nudlar med klibbiga ändar som ansluter till långa spiraler. Vattenmolekyler kan strömma genom de 0,3 nanometer öppningarna i mitten av spiralerna, men alla andra positivt och negativt laddade joner som utgör saltvatten är för skrymmande för att passera. Dessa inkluderar natrium, kalium, kalcium, magnesium, klor och svaveloxid. "I vatten, alla dessa joner är mycket hydratiserade, fäst vid massor av vattenmolekyler, vilket gör dem för stora för att gå igenom kanalerna, säger Zeng.

Tekniken kan leda till globala besparingar på upp till 5 miljarder USD per år, säger Zeng, men först efter flera år av testning och justering av lipidmembranets kompatibilitet och stabilitet med nanospiralerna. "Detta är ett stort fokus i min grupp just nu, " säger han. "Vi vill få det här gjort, så att vi kan minska kostnaderna för vattenavsaltning till en acceptabel nivå."

Stick och non-stick

Nanomaterial erbjuder också en låg kostnad, effektivt och hållbart sätt att filtrera bort giftiga metaller från dricksvatten.

Tungmetallhalterna i dricksvatten är strängt reglerade på grund av de allvarliga skador som ämnena kan orsaka på hälsan, även vid mycket låga koncentrationer. Världshälsoorganisationen kräver att nivåer av bly, till exempel, förbli under tio delar per miljard (ppb). Att behandla vatten enligt dessa standarder är dyrt och extremt svårt.

Zhang har utvecklat ett organiskt ämne fyllt med porer som kan fånga och ta bort giftiga metaller från vatten till mindre än en ppb. Varje por är tio till tjugo nanometer bred och packad med föreningar, kända som aminer som fastnar på metallerna.

Att utnyttja det faktum att aminer tappar greppet över metallerna under sura förhållanden, den värdefulla och begränsade resursen kan återvinnas av industrin, och polymererna återanvänds.

Hemligheten bakom framgången med Zhangs polymerer är den stora yta som täcks av porerna, vilket leder till fler möjligheter att interagera med och fånga metallerna. "Andra material har en yta på cirka 100 kvadratmeter per gram, men vår är 1, 000 kvadratmeter per gram, "säger Zhang." Det är 10 gånger högre. "

Zhang testade sina nanoporösa polymerer på vatten kontaminerat med bly. Han strödde en pulveriserad version av polymeren i en lätt alkalisk vätska innehållande nära 100 ppb bly. Inom sekunder, blyhalterna minskade till under 0,2 ppb. Liknande resultat observerades för kadmium, koppar och palladium. Genom att tvätta polymererna i syra frigörs upp till 93 procent av blyet.

Med många företag som är angelägna om att skala dessa tekniker för verkliga tillämpningar, det kommer inte att dröja länge innan nanovetenskapen behandlar jorden för dess många sjukdomar.