Att hälla rostfläckar i vatten gör det vanligtvis smutsigare. Men forskare har utvecklat speciella nanopartiklar av järnoxid som de kallar "smart rost" som faktiskt gör den renare. Smart rost kan locka till sig många ämnen, bland annat olja, nano- och mikroplaster, samt herbiciden glyfosat, beroende på partiklarnas beläggning. Och eftersom nanopartiklarna är magnetiska kan de enkelt tas bort från vattnet med en magnet tillsammans med föroreningarna. Nu rapporterar teamet att de har justerat partiklarna för att fånga in östrogenhormoner som är potentiellt skadliga för vattenlevande organismer.
Forskarna kommer att presentera sina resultat i dag på höstmötet i American Chemical Society (ACS).
"Vår "smarta rost" är billig, giftfri och återvinningsbar, säger Marcus Halik, Ph.D., projektets huvudutredare. "Och vi har visat att den används för alla typer av föroreningar, vilket visar potentialen för denna teknik för att dramatiskt förbättra vattenbehandlingen."
Under många år har Haliks forskargrupp undersökt miljövänliga sätt att ta bort föroreningar från vatten. Basmaterialen de använder är nanopartiklar av järnoxid i en superparamagnetisk form, vilket innebär att de dras till magneter, men inte till varandra, så att partiklarna inte klumpar sig.
För att göra dem "smarta" utvecklade teamet en teknik för att fästa fosfonsyramolekyler på nanometerstora sfärer. "Efter att vi lagt ett lager av molekylerna till järnoxidkärnorna ser de ut som hårstrån som sticker ut från dessa partiklars ytor", säger Halik, som är baserad på Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Sedan kan forskarna, genom att förändra det som är bundet till den andra sidan av fosfonsyrorna, justera egenskaperna hos nanopartiklarnas ytor för att kraftigt adsorbera olika typer av föroreningar.
Tidiga versioner av smart rost fångade råolja från vatten som samlats in från Medelhavet och glyfosat från dammvatten som samlats in nära forskarnas universitet. Dessutom visade teamet att smart rost kunde ta bort nano- och mikroplast som lagts till i laboratorie- och flodvattenprover.
Hittills har teamet riktat in sig på föroreningar som finns i mestadels stora mängder. Lukas Müller, en doktorand som presenterar nytt arbete på mötet, ville veta om han kunde modifiera rostnanopartiklarna för att locka till sig spår av föroreningar, som hormoner. När en del av människokroppens hormoner utsöndras spolas de ut i avloppsvattnet och kommer så småningom ut i vattendrag. Naturliga och syntetiska östrogener är en sådan grupp av hormoner, och de huvudsakliga källorna till dessa föroreningar inkluderar avfall från människor och boskap. Mängderna av östrogener är väldigt låga i miljön, säger Müller, så de är svåra att få bort. Ändå har även dessa nivåer visat sig påverka metabolismen och reproduktionen hos vissa växter och djur, även om effekterna av låga nivåer av dessa föreningar på människor under långa perioder inte är helt kända.
"Jag började med det vanligaste östrogenet, östradiol, och sedan fyra andra derivat som delar liknande molekylära strukturer", säger Müller. Östrogenmolekyler har en skrymmande steroidkropp och delar med lätt negativ laddning. För att utnyttja båda egenskaperna belade han järnoxidnanopartiklar med två uppsättningar föreningar:en som var lång och en annan som var positivt laddad. De två molekylerna organiserade sig på nanopartiklarnas yta, och forskarna antar att de tillsammans bygger många miljarder "fickor" som drar in östradiolen och fångar den på plats.
Eftersom dessa fickor är osynliga för blotta ögat har Müller använt högteknologiska instrument för att verifiera att dessa östrogenfångande fickor finns. Preliminära resultat visar effektiv extraktion av hormonerna från laboratorieprover, men forskarna måste titta på ytterligare experiment från kärnmagnetisk resonansspektroskopi i fast tillstånd och neutronspridning med små vinklar för att verifiera fickhypotesen. "Vi försöker använda olika pusselbitar för att förstå hur molekylerna faktiskt samlas på nanopartiklarnas yta", förklarar Müller.
I framtiden kommer teamet att testa dessa partiklar på verkliga vattenprover och bestämma hur många gånger de kan återanvändas. Eftersom varje nanopartikel har en stor yta med många fickor, säger forskarna att de borde kunna ta bort östrogener från flera vattenprover och därigenom minska kostnaden per rengöring. "Genom att upprepade gånger återvinna dessa partiklar kan materialpåverkan från denna vattenbehandlingsmetod bli mycket liten", avslutar Halik.
Mer information: Smart rost för att rengöra vatten från hormoner, ACS hösten 2023
Tillhandahålls av American Chemical Society
