(PhysOrg.com) -- Gli ingegneri utilizzano tecniche di imaging avanzate per esaminare i materiali bimetallici che hanno risanato più di 50 siti di rifiuti tossici.
Nanoparticelle di ferro 1, 000 volte più sottili di un capello umano hanno dimostrato una capacità senza precedenti di pulire le acque sotterranee contaminate da quando sono state inventate 10 anni fa a Lehigh.
Le particelle rivestite di palladio hanno risanato più di 50 siti di rifiuti tossici negli Stati Uniti e in altri paesi in un decimo del tempo, e con una maggiore economia di scala, rispetto ai tradizionali metodi "pump and treat".
Ora, grazie alle impareggiabili strutture di microscopia elettronica e spettroscopia di Lehigh, i ricercatori hanno acquisito conoscenze senza pari che potrebbero migliorare l'efficienza ed estendere le applicazioni delle potenti nanoparticelle.
I ricercatori hanno utilizzato la microscopia elettronica a trasmissione a scansione (STEM) e la spettroscopia a dispersione di energia a raggi X (XEDS) per catturare, per la prima volta, l'evoluzione nella nanostruttura delle particelle bimetalliche mentre rimuovono i contaminanti nell'acqua.
Gli strumenti di imaging avanzati di Lehigh hanno catturato dettagli sorprendenti delle reazioni all'interno delle nanoparticelle. Poiché reagiscono con inquinanti come il tricloroetilene (TCE), un solvente industriale tossico, le nanoparticelle mostrano enormi cambiamenti strutturali. Il nucleo della particella si svuota, il ferro si diffonde verso l'esterno, e il palladio, un catalizzatore che costituisce l'1 per cento della massa delle particelle, migra dalla superficie esterna alla superficie interna del ferro.
Scrivendo all'inizio di questo mese in Scienze e tecnologie ambientali ( EST ), la rivista più importante nel suo campo, i ricercatori di Lehigh hanno riferito che la capacità delle nanoparticelle di rimuovere le tossine diminuisce man mano che le particelle "invecchiano" e subiscono cambiamenti strutturali con l'esposizione all'acqua.
I loro risultati, scrissero, suggeriscono che l'età e l'ambiente di stoccaggio delle nanoparticelle svolgono un ruolo fondamentale nell'influenzare la loro efficacia come agenti di riparazione.
Piccolo ma potente
L'articolo ES&T, intitolato "Evoluzione strutturale del ferro a valore zero su nanoscala drogato con Pd (nZVI) in mezzi acquosi e implicazioni per l'invecchiamento e la reattività delle particelle, ” è stato scritto da Weile Yan, un dottorato di ricerca candidato in ingegneria civile e ambientale, con Andrew Herzing '07 Ph.D., un ingegnere di ricerca sui materiali presso il National Institute of Standards and Technology; Xiao Qin Li, che ha conseguito un dottorato di ricerca in ingegneria civile e ambientale nel 2008; Christopher Kiely, professore di scienza e ingegneria dei materiali; e Wei-xian Zhang, professore di ingegneria civile e ambientale.
Le nanoparticelle, che sono stati inventati da Zhang, in media 50 nanometri di diametro (1 nm equivale a un miliardesimo di metro). Isole di palladio sulla superficie esterna del ferro misurano da 2 a 5 nm di diametro. Le particelle hanno rimosso i pesticidi, cloruro di vinile, TCE e altri contaminanti in 10 stati e in Europa e Asia. I siti trattati includono discariche, un impianto di produzione di elettronica, impianti chimici e strutture militari.
Quando iniettato nelle acque sotterranee, le nanoparticelle scorrono con l'acqua e reagiscono con e disintossicano i contaminanti. Le loro piccole dimensioni e la maggiore superficie proporzionale conferiscono loro una maggiore reattività con le tossine rispetto a quantità maggiori dello stesso catalizzatore.
Questa reattività superiore, dice Harch Gill, presidente di Lehigh Nanotech LLC, una società di Betlemme che possiede i diritti commerciali delle particelle, consente alle particelle di bonificare un sito tossico in meno di un anno, rispetto ai 10-20 anni richiesti dai metodi pump-and-treat.
E secondo l'Associazione dei Dirigenti Tecnologici di Ateneo, che ha nominato Lehigh Nanotech una delle 25 migliori storie di collaborazione tecnologica nel 2008, “ci vogliono solo sei once di minuscoli nanomateriali, contro una tonnellata di composti più grandi, per apportare cambiamenti radicali nella pulizia degli ambienti contaminati”.
Di conseguenza, dice Zhang, le nanoparticelle sono oggi uno dei nanomateriali più utilizzati al mondo.
Un nuovo focus
Yan, che studia le nanoparticelle dal 2007, afferma che i risultati sperimentali aiuteranno i ricercatori a sviluppare metodi migliori per maneggiare e conservare le particelle, e di raccogliere e riutilizzare il palladio dopo che ha neutralizzato i contaminanti. Palladio, utilizzato nei convertitori catalitici, dispositivi elettronici e celle a combustibile, è un metallo raro e spesso costoso.
I risultati possono essere utilizzati anche per migliorare la capacità delle nanoparticelle a base di ferro di catturare e rimuovere le tossine di metalli pesanti da siti contaminati, dice Yan.
“Questo documento è solo un punto di partenza, " lei dice. “Utilizzando la stessa suite di strumenti, possiamo studiare specie metalliche e nZVI per imparare come i metalli pesanti vengono catturati da nZVI, dove interagiscono e dove la destinazione finale dei metalli pesanti è all'interno della nZVI”.
La ricerca del gruppo, dice Yan, è stato reso possibile dal fatto che Lehigh ha il più grande laboratorio di microscopia elettronica negli Stati Uniti. Lo STEM con correzione dell'aberrazione utilizzato dal team di Yan risolve le immagini a 0,1 nm identificando la composizione chimica in questo minuscolo "pixel" di un campione. In combinazione con XEDS, ha permesso ai ricercatori di mappare la superficie e l'interno della nanoparticella di ferro, individuare le isole di palladio, e tracciare l'infiltrazione del palladio all'interno della particella. Il gruppo ha anche utilizzato la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) per esaminare i cambiamenti nelle proprietà chimiche delle nanoparticelle.
Gli strumenti hanno permesso al gruppo di adottare un nuovo approccio alla sua ricerca, dice Yan.
"Il modo tradizionale di fare ricerca ambientale è quello di esaminare i contaminanti nell'acqua per assicurarsi che vengano spazzati via, " lei disse. "Stiamo adottando un approccio diverso guardando all'interno dell'agente di trattamento per vedere cosa succede e come avviene effettivamente la riparazione".
Yan terrà una presentazione sulla ricerca del gruppo alla Environmental Chemical Division dell'American Chemical Society alla conferenza annuale di ACS ad agosto a Boston.
