De spricker ut ur toalettbubblor, simma över dricksvatten, sprids genom hosta. Små smittsamma mikrober – från viruset som orsakar COVID-19 till vattenburna bakterier – dödar miljontals människor runt om i världen varje år. Nu studerar ingenjörer hur zinkoxidytor och naturlig hydrodynamisk kärnning har kraften att först döda patogener.

"Bakteriell kontaminering av vanliga ytor och av dricksvatten har traditionellt varit de främsta infektionsvägarna för överföring av allvarliga sjukdomar, leder ofta till dödlighet, " sa Abinash Tripathy, en forskare inom maskin- och processteknik vid ETH Zürich. "Vårt mål var att designa en yta som kan hantera båda frågorna."

Hans grupp sänkte ren zink i varmt vatten i 24 timmar, som bildade en zinkoxidyta täckt av vassa nanonålar. Sedan introducerade de E. coli-bakterier.

Ytan dödar nästan alla bakterier som odlas ovanpå den mycket effektivt. Och den största överraskningen? När du sitter i förorenat vatten, ytan dödar alla vattenburna E. coli inom tre timmar – även bakterier som den inte rörde.

Denna vattendesinfektion på avstånd fungerar eftersom processen genererar ett reaktivt syreämne, som skadar bakteriers cellväggar. Gruppen från ETH Zürich, IIT Ropar Indien, och Empa, Schweiz, presenterade sina första resultat vid det 73:e årsmötet för American Physical Society's Division of Fluid Dynamics.

I sydostasiatiska och afrikanska länder där rent dricksvatten är ont om, nuvarande solvattendesinfektionsmetoder tar upp till 48 timmar och kräver en lägsta intensitet av solljus. Den nya zinkoxidytan påskyndar desinfektionsprocessen och behöver inte ljus.

"Denna yta kan användas för att desinficera vatten i avlägsna områden till en mycket låg kostnad, " sa Tripathy. "Tillverkningstekniken är miljövänlig, enkel, och ekonomiskt."

Yt- och vattenburna patogener är inte de enda mördarna. När covid-19-pandemin har förstärkt, luftburna virus och bakterier utgör en allvarlig global utmaning för desinfektion.

Just de droppar som bär patogener genom luften kan spela en roll för att förstöra dem. På de mikrosekunder som dropparna tar att bildas, deras vätskor omarrangeras snabbt – vilket stressar mikroberna inom sig.

"Tänk på en hink med en fisk i. Man föreställer sig att om man börjar kärna vätskan i hinken för snabbt, fisken kommer inte att vara särskilt glad, sa Oliver McRae, en maskiningenjör. "Det är en liknande typ av sak - om än i mycket, mycket mindre skala – när du har, säga, en patogen i en droppe. Så småningom kommer vätskan att agitera för mycket för att bakterien eller viruset ska överleva."

McRae och ett team från Boston University och Centers for Disease Control and Prevention studerade hur hydrodynamisk agitation fungerar när miljöbubblor producerar droppar. Efter pandemins början, de började modellera droppar liknande de som produceras av lungorna och luftvägarna.

Med hjälp av beräkningsvätskedynamik, teamet förutspådde hur agitation fungerar under aerosolbildning. De upptäckte att stressfaktorer är mycket känsliga för droppstorlek. Om droppen krymper eller växer med en storleksordning, stressfaktorerna ändras med två och en halv storleksordning.

Forskningen kan hjälpa till att förklara varför patogener överlever i vissa droppar och inte i andra.

"Vårt fokus har varit på att kvantifiera vilka stressfaktorer som är i dessa droppar, ", sa McRae. "Förhoppningsvis kommer detta att användas i framtiden som en del av en större modell för att förutsäga aerosol-baserad sjukdomsöverföring."