När en vattenkälla väl är förorenad kan den vara kostsam och svår att sanera. Naturläkemedel kan ta hundratals år och kanske inte lyckas ta bort alla farliga föroreningar. När det gäller globala folkhälsofrågor som denna är behovet av nya och säkra lösningar akut. John Fortner designar lösningar från grunden för att göra just det.

Fortner, docent i kemi- och miljöteknik, leder ett av de få labb i USA som undersöker skärningspunkten mellan materialvetenskap och miljöteknik. Där är material som syntetiseras direkt i labbet, oavsett om magnetiska nanopartiklar, grafenbaserade kompositer eller hypertermiska katalysatorer, noggrant konstruerade för att behandla föroreningar i vattenkällor.

Fortner har alltid dragits mot att förbättra folkhälsan genom miljöbaserade vägar. Han övervägde först en karriär inom medicin när han först upptäckte området miljöteknik.

"Jag gick en kurs i biosanering och jag blev fascinerad av att konstruera biologiska system för att bryta ner föroreningar på plats," sa Fortner.

På den tiden fokuserade traditionell miljöteknisk forskning på att använda mikrober - biologiska organismer i mikroskopisk skala - för att bryta ned föroreningar i industriella avloppsvattenströmmar. Efter att ha tagit kurser som överbryggade hans biologiska fokus med tillämpade ingenjörssystem fann Fortner sin "passform" och bytte snart till miljöteknik.

Även om nanomaterialforskning finns överallt idag, är forskning ett relativt nytt område. I slutet av 1900-talet gjorde utvecklingen av avancerad bildteknik det möjligt för forskare att studera nanomaterial för första gången. 1989, 15 år efter att termen "nanovetenskap" myntades, började det första nanoteknikföretaget kommersialisera nanostrukturer. År 2001, när Fortner började forskarskolan, hade nanomaterial industrialiserats inom datavetenskap och biomedicinsk teknik.

Jämfört med sina större motsvarigheter har nanomaterial fördelar, såsom avstämbarhet och/eller unik reaktivitet, som härrör från deras otroligt små storlekar och nya egenskaper. Som Fortner uttrycker det, "nanomaterial har potential att göra vad traditionella material helt enkelt inte kan."

1985 upptäckte kemister på Rice en ny kolallotrop - buckminsterfulleren (som kallas fullerener eller "buckyballs") - vilket ledde dem till ett Nobelpris i kemi 1996 och utlöste en nanoteknologisk boom på Rice och därefter. Genom detta grundades Center for Biological and Environmental Nanotechnology, ett NSF-finansierat forskningscenter, på Rice när Fortner påbörjade sina forskarstudier. Där arbetade han med medarbetare för att förstå beteendet hos nanomaterial i miljön, med sin doktorsexamen. avhandling fokuserad på fullerener i naturliga system. Vid den tiden var mycket lite känt om saken, vilket ledde till flera spännande fynd som underbyggde det framväxande området miljönanoteknik.

"På den tiden fanns det så mycket att utforska," sa Fortner. "Utöver att förstå grundläggande nanomaterialbeteende i miljön, var det tydligt att det fanns fantastiska möjligheter att tillämpa "nano" på kritiska miljöproblem i avkänning och behandling (föroreningssanering)...för att hjälpa till att göra människors liv hälsosammare genom en bättre, renare miljö. "

Strax efter examen började Fortner på fakulteten vid Washington University i St. Louis där han studerade de grundläggande mekanismerna involverade i nanostruktursyntes och reaktivitet. Han var särskilt intresserad av att förstå hur nanopartiklar bryter ned föroreningar annorlunda än traditionella system och om nanopartiklar har tillämpningar utanför vattenindustrin.

Under sin tid vid Washington University var han fellow inom International Center for Energy, Environment and Sustainability, där han samarbetade med andra forskare för att utveckla nanoteknik för en rad applikationer, inklusive nya vattenbehandlingsmembran och avkänningsteknologier.

"Det var en underbar plats att starta en oberoende forskarkarriär på," sa Fortner. "Jag utvecklade fantastiska samarbeten där, vilket förde mig ännu mer till den grundläggande sidan av kemi och materialvetenskap."

Fortner började på fakulteten vid Yales institution för kemi- och miljöteknik 2019. I Fortner Lab skapas nästan allt från grunden:forskare designar och syntetiserar nanopartiklar, flerkomponentskompositer och tillhörande funktionella beläggningar för att ta itu med vattenrelaterade miljöfrågor.

Ett av hans senaste samarbeten kretsar kring perfluoralkylföroreningar (PFAS), som är fluorerade kolstrukturer som finns i många konsumentprodukter, allt från snabbmatsomslag till teflonpannor till brandskum. Eftersom dessa produkter är konstruerade för att vara oreaktiva mot de flesta kemikalier eller höga temperaturer, kan PFAS-föroreningar inte behandlas med konventionella biologiska behandlingsprocesser. För att ta itu med dessa "för evigt kemikalier" har Fortners labb, i samarbete med Kurt Pennell från Brown University och Natalie Capiro från Auburn University, konstruerat superparamagnetiska nanopartiklar, som är speciellt belagda med sorbenter. De upptäckte att när dessa konstruerade nanopartiklar sprids i en förorenad källa, attraheras föroreningar till specificerade funktionella grupper på molekylen. Partiklarna, tillsammans med föroreningarna, kan sedan samlas upp med hjälp av ett magnetfält och den koncentrerade PFAS kan avlägsnas. Denna strategi gör att mycket stora volymer media kan hanteras på ett målinriktat och energieffektivt sätt.

"Det är fantastiskt," sa Fortner. "Vi kan sorbera en betydande mängd PFAS på en partikel och helt enkelt använda en magnet för att ta bort den. Det är ett trevligt sätt att "fiska" för att ta bort PFAS, eller andra föroreningar, från en förorenad vattenkälla."

Jämfört med andra forskningslaboratorier runt Yale är Fortner Lab en liten men mäktig kraft. För närvarande sex Ph.D. studenterna mentors av Fortner, förutom två postdoktorer. Den lilla storleken på gruppen gör det möjligt för honom att arbeta individuellt med studenterna, vilket gör det möjligt för dem att ta verkligt ägande till forskningsprojekt. Susanna Maisto, en förstaårs doktorand i miljöteknik. student, beskriver forskargruppen som "stödjande, välkomnande och samarbetsvillig."

"Dr. Fortner har en fantastisk mentorskapsstil; ger alltid allt stöd du behöver, men överskrider aldrig." sa Maisto. "Han checkar in ofta för att se till att vi trivs in och ut ur labbet." + Utforska vidare

Farväl, kemikalier för alltid:Forskare strävar efter att eliminera PFAS för gott