02.06.2013

Наноочистители

Согласно совместному докладу Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) и UNICEF, опубликованном на этой неделе, приблизительно 768 млн. людей в 2011 году полагались на необработанные источники питьевой воды, 185 млн. из этих случаев – для удовлетворения своей повседневной потребности в питьевой воде. ВОЗ и UNICEF поставили за цель, что к 2030 г. каждый человек должен иметь доступ к потреблению безопасной питьевой воды. Поспособствовать достижению этой цели смогут новые наноочистители для воды, разработанные исследователями из «Stanford University».

Существуют различные наночастицы, которые могут «похвастаться» своими водоочистными свойствами. Наночастицы серебра действуют как антибиотик, наночастицы диоксида титана поглощают тяжелые металлы и загрязняющие вещества, в то время как другие «ловят» соль. Инженеры называют эти виды частиц «наноочистителями». В последние годы ученые искали пути их использования для дезинфекции, очищения, опреснения загрязненной воды. Наши разработки в этом направлении датироаны 1997-2000 гг.

Основной проблемой было поднятие наноочистителей из воды, как только они выполнили свои работы по очистке. Некоторые подходы, которые уже используются в коммерческих целях, предполагают подачу наноочистителям ядра из оксида железа, чтобы сделать их магнитными, то есть они могут быть удалены с помощью магнитов. Недостатком этого метода является то, что невозможно удалить все наноочистители, потому что оксид железа не совсем реагирует на магнетизм. Этот недостаток был продемонстрирован, когда исследователи погрузили ядро из оксида железа посеребренных наноочистителей в воду, зараженную бактериями кишечной палочки. Подвергая воду воздействию постоянного магнита, они были в состоянии собрать лишь около 20 % наноочистителей на протяжении 5 минут.

Чтобы преодолеть эту проблему, команда ученых из Стэнфорда разработала новый тип наноочистителей, в котором ядро из оксида железа заменяют синтезированным ядром, ультрареагирующим на магнетизм. Это новое ядро представляет собой диск, состоящий из магнитных внешних слоев, зажатых по обе стороны от титановой середины. Такое соединение делает новые наноочистители немагнитными в их естественном состоянии, поэтому они не притягиваются друг к другу или другим магнитным материалам.

“Магнитные моменты двух внешних слоев – противоположны. Направление магнитной силы в точке верхнего слоя и точке нижнего слоя находится в противоположных направлениях, фактически отменяя магнитные свойства материала “, – сказал Mingliang Zhang, докторант материаловедения и инженерии в Стэнфорде.

Однако, когда синтетическое ядро подвергается воздействию сильного магнитного поля, магнетизм двух противоположных полей выравнивается так, что они не только становятся магнитными, но и магнитный эффект осложняется, делая их ультрареагирующими на магнетизм. Исследователи назвали свое творение “синтетическими антиферромагнитными ядрами”, где “анти-” относится к противоположному направлению, нежели немагнитному.

В противовес тесту о вышеупомянутых наноочистителях с ядром из оксида железа, синтетическое ядро наноочистителей с серебром убивает 99,9 % бактерий кишечной палочки в течение 20 минут и практически все наноочистители удаляются из воды после 5-минутного воздействия постоянного магнита.

«В загрязненной воде наноочистители плавают вокруг, случайно натыкаясь и убивая бактерии, или прикрепляясь к молекулярным загрязнителям”, – сказал Shan Wang, старший автор исследования. “Когда загрязняющие вещества либо прилипают к наноочистителю либо умирают, магнит включается и частицы исчезают”.

Теперь, когда они продемонстрировали технологию с использованием посеребренных наноочистителей, которая убивает бактерии, исследователи работают над созданием различных версий, которые специально направлены на другие загрязняющие вещества. Ученые также разрабатывают ” однореакторный раствор” с использованием чуть больших по размерах наноочистителей, которые смогут очищать воду от нескольких различных загрязнений, возможно, путем покрытия их раздельными полосками из нескольких различных реагентов.

“Мы надеемся в один прекрасный день создать «однореакторный раствор” для воды, «страдающей» от разнообразных смесей загрязняющих веществ. Такая технология очистки могла бы быть очень полезной для рециркуляции воды в развивающихся странах и засушливом климате, где качество и количество воды, имеют решающее значение “, – сказал Xing Xie, докторант по гражданской и экологической инженерии, первый соавтор изучения. Диссертация ученых опубликована в журнале «Nature Communications».