Nanomaterialer og UV-lys kan fange kemikalier for nem fjernelse fra jord og vand

Mange menneskeskabte forurenende stoffer i miljøet modstår nedbrydning gennem naturlige processer, og forstyrre hormonelle og andre systemer hos pattedyr og andre dyr. At fjerne disse giftige materialer – som omfatter pesticider og hormonforstyrrende stoffer som bisphenol A (BPA) – med eksisterende metoder er ofte dyrt og tidskrævende.

I et nyt blad udgivet i denne uge i Naturkommunikation , forskere fra MIT og Federal University of Goiás i Brasilien demonstrerer en ny metode til brug af nanopartikler og ultraviolet (UV) lys til hurtigt at isolere og udtrække en række forskellige forurenende stoffer fra jord og vand.

Ferdinand Brandl og Nicolas Bertrand, de to hovedforfattere, er tidligere postdocs i laboratoriet hos Robert Langer, David H. Koch Institute Professor ved MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research. (Eliana Martins Lima, fra Federal University of Goiás, er den anden medforfatter.) Både Brandl og Bertrand er uddannet som farmaceuter, og beskrive deres opdagelse som en lykkelig ulykke:De søgte oprindeligt at udvikle nanopartikler, der kunne bruges til at levere medicin til kræftceller.

Brandl havde tidligere syntetiseret polymerer, der kunne spaltes fra hinanden ved udsættelse for UV-lys. Men han og Bertrand kom til at stille spørgsmålstegn ved deres egnethed til levering af lægemidler, da UV-lys kan være skadeligt for væv og celler, og trænger ikke gennem huden. Da de lærte, at UV -lys blev brugt til at desinficere vand i visse renseanlæg, de begyndte at stille et andet spørgsmål.

"Vi tænkte, at hvis de allerede bruger UV-lys, måske kunne de også bruge vores partikler, " siger Brandl. "Så kom vi på ideen om at bruge vores partikler til at fjerne giftige kemikalier, forurenende stoffer, eller hormoner fra vand, fordi vi så, at partiklerne aggregerer, når du bestråler dem med UV -lys. "

En fælde til 'vandfrygtende' forurening

Forskerne syntetiserede polymerer fra polyethylenglycol, en meget brugt forbindelse, der findes i afføringsmidler, tandpasta, og øjendråber og godkendt af Food and Drug Administration som et fødevaretilsætningsstof, og polymælkesyre, en biologisk nedbrydelig plast, der bruges i komposterbare kopper og glas.

Nanopartikler fremstillet af disse polymerer har en hydrofob kerne og en hydrofil skal. På grund af kræfter i molekylær skala, i en opløsning bevæger hydrofobe forurenende molekyler sig mod de hydrofobe nanopartikler, og adsorberes på deres overflade, hvor de effektivt bliver "fanget". Det samme fænomen er på arbejde, når spaghetti sauce pletter overfladen af ​​plastbeholdere, gør dem røde:I så fald både plastikken og den oliebaserede sauce er hydrofobe og interagerer sammen.

Hvis efterladt alene, disse nanomaterialer ville forblive suspenderet og spredt jævnt i vand. Men når de udsættes for UV-lys, partiklernes stabiliserende ydre skal fældes, og - nu "beriget" af de forurenende stoffer - danner de større aggregater, som derefter kan fjernes gennem filtrering, sedimentering, eller andre metoder.

Forskerne brugte metoden til at udvinde phthalater, hormonforstyrrende kemikalier, der bruges til at blødgøre plast, fra spildevand; BPA, en anden hormonforstyrrende syntetisk forbindelse, der er meget udbredt i plastikflasker og andre harpiksholdige forbrugsvarer, fra termisk trykpapir prøver; og polycykliske aromatiske carbonhydrider, kræftfremkaldende forbindelser dannet ved ufuldstændig forbrænding af brændstoffer, fra forurenet jord.

Processen er irreversibel, og polymererne er biologisk nedbrydelige, minimere risikoen for at efterlade giftige sekundære produkter til at persistere i, sige, en vandmasse. "Når de skifter til denne makrosituation, hvor de er store klumper, " siger Bertrand, "du vil ikke være i stand til at bringe dem tilbage til nanotilstanden igen."

Det grundlæggende gennembrud, ifølge forskerne, bekræftede, at små molekyler faktisk adsorberer passivt på overfladen af ​​nanopartikler.

"Så vidt vi ved, det er første gang, at vekselvirkningerne mellem små molekyler og præformede nanopartikler kan måles direkte, "skriver de i Nature Communications.

Nano rensning

Endnu mere spændende, de siger, er den brede vifte af potentielle anvendelser, fra miljøsanering til medicinsk analyse.

Polymererne syntetiseres ved stuetemperatur, og behøver ikke at være specielt forberedt til at målrette mod specifikke forbindelser; de er bredt anvendelige til alle slags hydrofobe kemikalier og molekyler.

"De interaktioner, vi udnytter for at fjerne forurenende stoffer, er uspecifikke, " siger Brandl. "Vi kan fjerne hormoner, BPA, og pesticider, der alle er til stede i den samme prøve, og vi kan gøre dette i ét trin."

Og nanopartiklernes høje forhold mellem overflade og areal betyder, at der kun er brug for en lille mængde for at fjerne en relativt stor mængde forurenende stoffer. Teknikken kunne således tilbyde potentiale for omkostningseffektiv oprensning af forurenet vand og jord i bredere skala.

"Fra det anvendte perspektiv, vi viste i et system, at adsorptionen af ​​små molekyler på overfladen af ​​nanopartiklerne kan bruges til udvinding af enhver art, " siger Bertrand. "Det åbner døren for mange andre applikationer længere fremme."

Denne tilgang kan muligvis videreudvikles, han spekulerer, at erstatte den udbredte anvendelse af organiske opløsningsmidler til alt fra koffeinfri kaffe til fremstilling af malingfortyndere. Bertrand citerer DDT, forbudt til brug som et pesticid i USA siden 1972, men stadig udbredt i andre dele af verden, som endnu et eksempel på et persistent forurenende stof, der potentielt kan afhjælpes ved hjælp af disse nanomaterialer. "Og til analytiske applikationer, hvor du ikke har brug for så meget volumen til at rense eller koncentrere, det kunne være interessant, " siger Bertrand, tilbyder eksemplet med et billigt testkit til urinanalyse af medicinske patienter.

Undersøgelsen antyder også det bredere potentiale for at tilpasse lægemiddelleveringsteknikker i nanoskala, der er udviklet til brug i miljøsanering.

"At vi kan anvende nogle af de meget sofistikerede, værktøjer med høj præcision udviklet til medicinalindustrien, og se nu på brugen af ​​disse teknologier i bredere vendinger, er fænomenal, " siger Frank Gu, en assisterende professor i kemiteknik ved University of Waterloo i Canada, og en ekspert i nanoteknik til sundhedspleje og medicinske applikationer.

"Når du tænker på implementering i marken, det er langt hen ad vejen, men dette papir giver en virkelig spændende mulighed for at knække et problem, der vedvarende er til stede, " siger Gu, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Hvis du tager den normale konventionelle civilingeniør- eller kemitekniske tilgang til behandling af det, det vil bare ikke røre det. Det er der, det mest spændende er."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.