Janus nanorods omdanner lys til varme, der kan ødelægge forurenende stoffer i vand

Med en ny nanopartikel, der omdanner lys til varme, et hold forskere har fundet en lovende teknologi til at rense vand for forurenende stoffer.

Spormængder af forurenende stoffer såsom pesticider, lægemidler og perfluoroktansyre i drikkevandskilder har udgjort betydelige sundhedsrisici for mennesker i de senere år. Disse mikroforurenende stoffer har unddraget sig konventionelle behandlingsprocesser, men visse kemiske processer, der typisk involverer ozon, hydrogenperoxid eller UV-lys har vist sig effektive. Disse processer, imidlertid, kan være dyrt og energikrævende.

En ny nanopartikel skabt af Yale University-ingeniører som en del af en indsats for det risbaserede Nanosystems Engineering Research Center for Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT) kan føre til teknologier, der omgår disse begrænsninger. Partiklen er beskrevet i en undersøgelse offentliggjort i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences .

NEWT er et nationalt forskningscenter etableret af Rice, Yale og andre i 2015, og Yales Jaehong Kim, den ledende forsker og skaberen af ​​den nye nanopartikel, samarbejdede om projektet med Rices Naomi Halas, NEWTs forskningsleder i nanofotonik.

Forskere inden for flere felter har vist interesse for guldnanopartikler for deres fototermiske og fotokatalytiske egenskaber, som har vist sig at være et effektivt værktøj til sådanne anvendelser som kræftbehandling. Det har de ikke, selvom, spillede tungt i vandrensningsindsatsen, dels på grund af vanskeligheden ved at sprede nanopartikler i vand uden stabiliseringsmidler, der ikke er gode til vandbehandlingsapplikationer. NEWT-forskerne fandt en måde at løse det på ved at designe og syntetisere "Janus" guld nanorods. Disse nanopartikler, hver hundrede gange mindre end bredden af ​​et menneskehår, er halvt belagt med silica. Dette designelement er kritisk, da den silica-coatede halvdel tillader hver nanorod at forblive adskilt fra de andre og suspenderet i vandet.

"Vi startede med guld nanopartikler og udforskede derefter en måde at stabilisere dem på på forskellige måder, " sagde Kim, Henry P. Becton Sr. Professor og formand for Yales afdeling for kemi- og miljøteknik. "Så vi fandt på Janus-designet, hvor vi kun dækker en del med silicaen. Med denne delvise belægning, de bliver spredt i vand rigtig godt, og det er meget nyttigt til denne form for applikation."

Nanorods absorberer intense niveauer af lys og omdanner det til varme lokaliseret på overfladerne - en proces, der er langt mere effektiv end at opvarme hele vandvolumen. Og fordi den bruger sollys, metoden er billig og bæredygtig. Den samme del af nanorod fungerer også som en elektronoverførselskatalysator for at fremme ødelæggelsen af ​​mikroforurenende stoffer.

"Det opnår forskellige funktioner - især ved at bruge solstrålingen til at producere meget lokaliseret varme, " sagde Kim. "Dette er den første demonstration af at bruge det særlige fænomen til ødelæggelse af forurenende stoffer."

Halas, Rices Stanley C. Moore professor i elektro- og computerteknik og direktør for Rices Laboratory for Nanophotonics, spillet nøglerollen med at belyse de komplekse mekanismer for, hvordan de fototermiske og fotokatalytiske reaktioner opstår på denne unikke nanopartikel.

"Dette er virkelig nanoteknik, når det er bedst, en ny nanopartikel designet til at løse et vigtigt problem i, hvad der ellers ville være et umuligt miljø, " sagde Halas.

Kim bemærkede, at forskningen stadig er i sin tidlige fase, og mere arbejde er nødvendigt for at skalere det op til anvendelse i den virkelige verden, herunder at finde et materiale, der er billigere end guld.

NEWT-direktør Pedro Alvarez, Rice's George R. Brown professor i civil- og miljøteknik, kaldte undersøgelsen "et godt eksempel på, hvordan frontfremskridt inden for nanoteknologi kan bane en ny måde at løse vandudfordringer på."

"Det er også et godt eksempel på, hvordan forskere inden for to forskellige studieretninger samles under taget af NEWT for at udvikle meget ukonventionelle ideer til at løse vanskelige problemer, " han tilføjede.