Fiskeri efter giftige forurenende stoffer ved hjælp af superparamagnetiske nanopartikler

Når først en vandkilde er forurenet, kan den være dyr og vanskelig at afhjælpe. Naturlige midler kan tage hundreder af år og kan stadig ikke fjerne alle de farlige forurenende stoffer. Når det kommer til globale folkesundhedsproblemer som dette, er behovet for nye og sikre løsninger presserende. John Fortner designer løsninger fra bunden for at gøre netop det.

Fortner, lektor i kemi- og miljøteknik, leder et af de få laboratorier i USA, der undersøger krydsfeltet mellem materialevidenskab og miljøteknik. Der er materialer syntetiseret direkte i laboratoriet, hvad enten det er magnetiske nanopartikler, grafenbaserede kompositter eller hypertermiske katalysatorer, omhyggeligt konstrueret til at behandle forurenende stoffer i vandkilder.

Fortner har altid været tiltrukket af at forbedre folkesundheden gennem miljøbaserede veje. Han overvejede oprindeligt en karriere inden for medicin, da han først opdagede området for miljøteknik.

"Jeg tog et bioremedieringskursus, og jeg blev fascineret af at udvikle biologiske systemer til at nedbryde forurenende stoffer in situ," sagde Fortner.

På det tidspunkt fokuserede traditionel miljøteknisk forskning på at bruge mikrober - biologiske organismer i mikroskopisk skala - til at nedbryde forurenende stoffer i industrielle spildevandsstrømme. Efter at have taget kurser, der byggede bro mellem hans biologiske fokus og anvendte ingeniørsystemer, fandt Fortner sin "pasning" og skiftede snart til miljøteknik.

Selvom forskning er allestedsnærværende i dag, er forskning i nanomaterialer et relativt nyt område. I slutningen af ​​det 20. århundrede gjorde udviklingen af ​​avancerede billedteknologier det muligt for forskere at studere nanomaterialer for første gang. I 1989, 15 år efter begrebet "nanovidenskab" blev opfundet, begyndte den første nanoteknologivirksomhed at kommercialisere nanostrukturer. I 2001, da Fortner gik ind på kandidatskolen, var nanomaterialer blevet industrialiseret inden for datalogi og biomedicinsk teknik.

Sammenlignet med deres større modstykker har nanomaterialer fordele, såsom tunbarhed og/eller unik reaktivitet, som stammer fra deres utroligt små størrelser og nye egenskaber. Som Fortner udtrykker det, "har nanomaterialer potentialet til at gøre, hvad traditionelle materialer simpelthen ikke kan."

I 1985 opdagede kemikere ved Rice en ny carbon-allotrop - buckminsterfulleren (kaldet fullerener eller "buckyballs") - hvilket førte dem til en Nobelpris i kemi i 1996 og udløste et nanoteknologisk boom i Rice og videre. Herigennem blev Center for Biologisk og Miljømæssig Nanoteknologi, et NSF-finansieret forskningscenter, grundlagt i Rice, da Fortner startede sine kandidatstudier. Der arbejdede han sammen med samarbejdspartnere for at forstå nanomaterialers adfærd i miljøet, med sin ph.d. afhandling med fokus på fullerener i naturlige systemer. På det tidspunkt vidste man meget lidt om sagen, hvilket førte til adskillige spændende fund, der understøttede det nye område inden for miljønanoteknologi.

"På det tidspunkt var der så meget at udforske," sagde Fortner. "Ud over at forstå fundamental nanomaterialeadfærd i miljøet, var det klart, at der var fantastiske muligheder for at anvende 'nano' til kritiske miljøproblemer i sansning og behandling (forureningsafhjælpning)...for at hjælpe med at gøre folks liv sundere gennem et bedre, renere miljø. "

Kort efter eksamen sluttede Fortner sig til fakultetet ved Washington University i St. Louis, hvor han studerede de grundlæggende mekanismer involveret i syntese og reaktivitet af nanostruktur. Han var især interesseret i at forstå, hvordan nanopartikler nedbryder forurenende stoffer anderledes end traditionelle systemer, og om nanopartikler har anvendelser ud over vandindustrien.

I løbet af sin tid på Washington University var han Fellow i International Center for Energy, Environment, and Sustainability, hvor han samarbejdede med andre forskere om at udvikle nanoteknologier til en række applikationer, herunder nye vandbehandlingsmembraner og sensorteknologier.

"Det var et vidunderligt sted at starte en uafhængig forskerkarriere," sagde Fortner. "Jeg udviklede fantastiske samarbejder der, som skubbede mig endnu mere til den grundlæggende side af kemi og materialevidenskab."

Fortner sluttede sig til fakultetet ved Yales Institut for Kemi- og Miljøteknik i 2019. I Fortner Lab er næsten alt skabt fra bunden:Forskere designer og syntetiserer nanopartikler, flerkomponentkompositter og tilhørende funktionelle belægninger for at løse vandrelaterede miljøproblemer.

Et af hans seneste samarbejder er centreret omkring perfluoralkylforurenende stoffer (PFAS), som er fluorerede kulstofstrukturer, der findes i adskillige forbrugerprodukter lige fra fastfood-indpakninger til teflon-pander til brandslukningsskum. Fordi disse produkter er konstrueret til at være ureaktive over for de fleste kemikalier eller høje temperaturer, kan PFAS-forurenende stoffer ikke behandles ved hjælp af konventionelle biologiske behandlingsprocesser. For at løse disse "for evigt kemikalier" har Fortners laboratorium, i samarbejde med Kurt Pennell fra Brown University og Natalie Capiro fra Auburn University, konstrueret superparamagnetiske nanopartikler, som er specielt belagt med sorbenter. De opdagede, at når disse konstruerede nanopartikler spredes i en forurenet kilde, tiltrækkes kontaminanter til bestemte funktionelle grupper på molekylet. Partiklerne, sammen med forureningen, kan derefter opsamles ved hjælp af et magnetfelt, og den koncentrerede PFAS kan fjernes. Denne strategi gør det muligt at håndtere meget store mængder medier på en målrettet og energieffektiv måde.

"Det er fantastisk," sagde Fortner. "Vi kan sorbere en betydelig mængde PFAS på en partikel og blot bruge en magnet til at fjerne den. Det er en god måde at tage på 'fiskeri' for at fjerne PFAS eller andre forurenende stoffer fra en forurenet vandkilde."

Sammenlignet med andre forskningslaboratorier omkring Yale er Fortner Lab en lille, men mægtig kraft. I øjeblikket seks ph.d. studerende vejledes af Fortner, foruden to postdoc-forskere. Den lille størrelse af gruppen giver ham mulighed for at arbejde individuelt med de studerende, hvilket gør dem i stand til at tage reelt ejerskab til forskningsprojekter. Susanna Maisto, en førsteårs miljøingeniør Ph.D. studerende, beskriver forskningsgruppen som "støttende, imødekommende og samarbejdende."

"Dr. Fortner har en fantastisk mentorstil; giver altid den støtte, du har brug for, men overskrider aldrig." sagde Maisto. "Han tjekker ofte ind for at sikre, at vi trives ind og ud af laboratoriet." + Udforsk yderligere

Farvel, for evigt kemikalier:Forskere sigter mod at fjerne PFAS for altid