Ultraresponsive magnetiske nanofangere til næste generations vandrensning

(Phys.org) – Blandt dets mange talenter, sølv er et antibiotikum. Titaniumdioxid er kendt for at glom på visse tungmetaller og forurenende stoffer. Men andre materialer gør det samme for salt. I de seneste år, miljøingeniører har søgt at desinficere, afforurene, og afsalte forurenet vand ved hjælp af nanoskala partikler af disse aktive materialer. Ingeniører kalder dem nanofangere. Problemet fra et teknisk synspunkt er, at det er næsten umuligt at genvinde nanofangerne én gang i vandet.

I et papir offentliggjort online 14. maj i tidsskriftet Naturkommunikation , et tværfagligt team af ingeniører ved Stanford University annoncerede, at de har udviklet en ny type nanoopfanger med en syntetisk kerne, der er ultraresponsiv over for magnetisme, tillader nem og effektiv genvinding af stort set hver eneste af renserne i nanoskala.

"I forurenet vand, nanofangere flyder rundt, tilfældigt støde ind i og dræbe bakterier eller binde sig til de forskellige molekylære forurenende stoffer, de er ude efter, " sagde Shan Wang, undersøgelsens seniorforfatter og professor i materialevidenskab og teknik og i fællesskab i elektroteknik ved Stanford. "Derefter, når forureningen enten sidder fast på nanofangeren eller er døde, magneten tændes, og partiklerne forsvinder."

Ultraresponsiv over for magnetisme

Brugen af ​​magnetisme til at genvinde nanofangere er ikke ny. Der er kommercielle teknologier i dag, der har skabt nanofangere med en kerne af magnetisk jernoxid omgivet af et aktivt materiale, men disse geniale metoder er mindre end perfekte. Jernoxid reagerer ikke helt på magnetisme, og der forbliver for mange nanofangere i vandet til, at det kan betragtes som sikkert til menneskelig brug.

Stanford-fremstødet erstatter jernoxidet med et syntetisk materiale. Stanfords kerne er, i virkeligheden, ikke et eneste materiale, men en disk af flere lag. Magnetiske ydre lag af det syntetiske materiale er klemt på hver side af et titaniumcenter, men med et twist.

"De magnetiske momenter i de to ydre lag er modsatrettede. Det vil sige, retningen af ​​den magnetiske kraft i det øverste lag og det nederste lag peger i modsatte retninger, effektivt annullere materialets magnetiske egenskaber, " sagde Mingliang Zhang, en ph.d.-kandidat i materialevidenskab og teknik og medførsteforfatter til undersøgelsen.

Det vil sige, i deres naturlige tilstand, de nye nanofangere er ikke magnetiske. De ville ikke blive tiltrukket af et andet magnetisk materiale, for eksempel. Når de sammensatte diske udsættes for et stærkt magnetfelt, imidlertid, magnetismen af ​​de to modstående felter bliver til justering, forstærker den magnetiske effekt.

Side-by-side tests

Derved, nanofangerne bliver ultraresponsive over for magnetisme, langt mere end det basiske jernoxid, der bruges i nutidens teknologier. Stanford-holdet har døbt deres fremmarch med det oxymoroniske navn:"syntetiske antiferromagnetiske kerner." Præfikset anti- betyder i dette tilfælde i modsat retning, ikke umagnetisk.

Med en vellykket kerne skabt, forskerne derefter dækker det hele med sølv eller titaniumdioxid eller andet reaktivt materiale afhængigt af den forurening, de er rettet mod. I live-tests ved hjælp af sølvbelagte nanofangere nedsænket i vand plettet med E coli bakterier – med en sølvdosis på kun 17 dele per million – var Stanford-teamet i stand til at dræbe 99,9 % af bakterierne på kun 20 minutter. Endnu bedre, de fjernede stort set alle nanofangerne på kun fem minutters eksponering for en permanent magnet.

Side-by-side test af effektiviteten af ​​den samme magnet på jern-oxidkerne nanoopfangere viser en hurtig samling af omkring 20 procent af nanoopfangerne på de samme fem minutter, men så effekten plateauer. Ved minut 20, næsten otte-i-ti jernoxidkerne-nanofangere forbliver stadig i vandet.

One-pot løsningen

Efter at have demonstreret en fungerende prototype, holdet bygger nu forskellige iterationer af deres nanofangere med forskellige reaktive ydre for at målrette mod specifikke forurenende stoffer, samt en ny klasse af lidt større nanoopfangere, der kan bære diskrete bånd af flere forskellige reaktanter.

"Vores håb er en dag at skabe en 'one-pot-løsning', der tackler vand, der er ramt af en mangfoldig blanding af forurenende stoffer. Det ville være en nøgleteknologi for udviklingslande og tørre nationer, hvor vandkvalitet og -kvantitet er af afgørende betydning, " tilføjede Xing Xie, en ph.d.-kandidat i civil- og miljøteknik og medførsteforfatter af papiret.