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  • Il filtro ad alta velocità utilizza nanostrutture elettrificate per purificare l'acqua a basso costo

    Questa immagine al microscopio elettronico a scansione mostra i nanofili d'argento in cui è immerso il cotone durante il processo di costruzione di un filtro. Le grandi fibre sono di cotone. Credito:per gentile concessione di Yi Cui, Università di Stanford

    (PhysOrg.com) -- Immergendo un semplice panno di cotone in un brodo ad alta tecnologia pieno di nanofili d'argento e nanotubi di carbonio, I ricercatori di Stanford hanno sviluppato un nuovo sistema ad alta velocità, filtro a basso costo che potrebbe essere facilmente implementato per purificare l'acqua nei paesi in via di sviluppo.

    Invece di intrappolare fisicamente i batteri come fanno la maggior parte dei filtri esistenti, il nuovo filtro li lascia scorrere con l'acqua. Ma quando gli agenti patogeni sono passati, sono passati anche loro, perché il dispositivo li uccide con un campo elettrico che attraversa il cotone "nano-rivestito" altamente conduttivo.

    Nei test di laboratorio, oltre il 98% dei batteri Escherichia coli che sono stati esposti a 20 volt di elettricità nel filtro per diversi secondi sono stati uccisi. Sono stati utilizzati più strati di tessuto per rendere il filtro spesso 2,5 pollici.

    "Questo fornisce davvero un nuovo metodo di trattamento dell'acqua per uccidere gli agenti patogeni, " disse Yi Cui, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali. "Può essere facilmente utilizzato in aree remote dove le persone non hanno accesso a trattamenti chimici come il cloro".

    Colera, il tifo e l'epatite sono tra le malattie trasmesse dall'acqua che rappresentano un problema continuo nei paesi in via di sviluppo. Cui ha affermato che il nuovo filtro potrebbe essere utilizzato nei sistemi di purificazione dell'acqua dalle città ai piccoli villaggi.

    Filtraggio più veloce lasciando passare i batteri

    I filtri che intrappolano fisicamente i batteri devono avere spazi dei pori sufficientemente piccoli da impedire agli agenti patogeni di scivolare attraverso, ma ciò limita la portata dei filtri.

    Poiché il nuovo filtro non intrappola i batteri, può avere pori molto più grandi, permettendo all'acqua di scorrere più velocemente.

    "Il nostro filtro è di circa 80, 000 volte più veloce dei filtri che intrappolano i batteri, " Ha detto Cui. È l'autore senior di un articolo che descrive la ricerca che sarà pubblicato in un prossimo numero di Nano lettere . Il documento è ora disponibile online.

    Gli spazi dei pori più grandi nel filtro di Cui impediscono anche che si ostruisca, che è un problema con i filtri che estraggono fisicamente i batteri dall'acqua.

    Il gruppo di ricerca di Cui ha collaborato con quello di Sarah Heilshorn, un assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali, il cui gruppo ha messo a frutto la propria esperienza in bioingegneria nella progettazione dei filtri.

    L'argento è noto da tempo per avere proprietà chimiche che uccidono i batteri. "Nei giorni che precedono la pastorizzazione e la refrigerazione, la gente a volte lasciava cadere dollari d'argento nelle bottiglie del latte per combattere i batteri, o addirittura ingoiarlo, "Ha detto Heilshorn.

    Il gruppo di Cui sapeva da precedenti progetti che i nanotubi di carbonio erano buoni conduttori elettrici, quindi i ricercatori hanno pensato che i due materiali insieme sarebbero stati efficaci contro i batteri. "Questo approccio porta davvero l'argento fuori dal regno dei rimedi popolari e in un ambiente high-tech, dove è molto più efficace, "Ha detto Heilshorn.

    Usare i luoghi comuni riduce i costi

    Ma gli scienziati volevano anche progettare i filtri in modo che fossero il più economici possibile. La quantità di argento utilizzata per i nanofili era così piccola che il costo era trascurabile, Ha detto Cui. Ancora, avevano bisogno di un materiale di base che fosse "economico, ampiamente disponibili e chimicamente e meccanicamente robusti." Così sono andati con un normale tessuto di cotone.

    "L'abbiamo preso al Wal-Mart, " Ha detto Cui.

    Per trasformare il cotone del loro discount in un filtro, l'hanno immerso in una soluzione di nanotubi di carbonio, lascia che si asciughi, quindi immerso nella soluzione di nanofili d'argento. Hanno anche provato a mescolare entrambi i nanomateriali e a fare una singola schiacciata, che ha anche funzionato. Lasciano in ammollo il cotone per almeno qualche minuto, a volte fino a 20, ma è bastato questo.

    Il grande vantaggio dei nanomateriali è che le loro piccole dimensioni facilitano l'adesione al cotone, Ha detto Cui. I nanofili vanno da 40 a 100 miliardesimi di metro di diametro e fino a 10 milionesimi di metro di lunghezza. I nanotubi erano lunghi solo pochi milionesimi di metro e stretti quanto un miliardesimo di metro. Poiché i nanomateriali aderiscono così bene, i nanotubi creano una superficie liscia, superficie continua sulle fibre di cotone. I nanofili più lunghi hanno generalmente un'estremità attaccata ai nanotubi e l'altra estremità che si dirama, frugando nello spazio vuoto tra le fibre di cotone.

    "Con una struttura continua lungo la lunghezza, puoi spostare gli elettroni in modo molto efficiente e rendere il filtro molto conduttivo, " ha detto. "Ciò significa che il filtro richiede meno tensione."

    Elettricità minima richiesta

    La corrente elettrica che aiuta a uccidere è solo di pochi milliampere, appena sufficiente per provocare una sensazione di formicolio in una persona e facilmente fornita da un piccolo pannello solare o da un paio di batterie per auto da 12 volt. La corrente elettrica può essere generata anche da una bicicletta stazionaria o da un dispositivo a manovella.

    Il basso fabbisogno di elettricità del nuovo filtro è un altro vantaggio rispetto a quelli che filtrano fisicamente i batteri, che utilizzano pompe elettriche per forzare l'acqua attraverso i loro minuscoli pori. Quelle pompe richiedono molta elettricità per funzionare, Ha detto Cui.

    In alcuni dei test di laboratorio del nanofiltro, l'elettricità necessaria per far passare la corrente attraverso il filtro era solo un quinto di quella che avrebbe avuto bisogno di una pompa di filtrazione per filtrare una quantità d'acqua paragonabile.

    I pori del nano-filtro sono abbastanza grandi da non richiedere il pompaggio:la forza di gravità è sufficiente per far passare l'acqua ad alta velocità.

    Sebbene il nuovo filtro sia progettato per consentire il passaggio dei batteri, un ulteriore vantaggio dell'utilizzo del nanofilo d'argento è che se qualche batterio dovesse indugiare, l'argento probabilmente lo ucciderebbe. Questo evita il biofouling, in cui i batteri formano un film su un filtro. Il biofouling è un problema comune nei filtri che utilizzano piccoli pori per filtrare i batteri.

    Cui ha affermato che l'elettricità che passa attraverso il filtro conduttore potrebbe anche alterare il pH dell'acqua vicino alla superficie del filtro, che potrebbe aumentare la sua letalità nei confronti dei batteri.

    Cui ha detto che i prossimi passi nella ricerca sono di provare il filtro su diversi tipi di batteri e di eseguire test utilizzando diversi filtri successivi.

    "Con un filtro, possiamo uccidere il 98 percento dei batteri, " Cui ha detto. "Per l'acqua potabile, non vuoi nessun batterio vivo nell'acqua, quindi dovremo utilizzare più stadi di filtraggio."

    Il gruppo di ricerca di Cui ha recentemente attirato l'attenzione sull'utilizzo di nanomateriali per costruire batterie da carta e stoffa.


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