Questa immagine mostra un morto E. coli batterio (a forma di bastoncino al centro) raccolto in un filtro dopo il trattamento con il nuovo nanoscavenger Stanford. Credito:Mingliang Zhang, Stanford School of Engineering.
(Phys.org) —Tra i suoi molti talenti, l'argento è un antibiotico. È noto che il biossido di titanio si lega a determinati metalli pesanti e inquinanti. Eppure altri materiali fanno lo stesso per il sale. Negli ultimi anni, gli ingegneri ambientali hanno cercato di disinfettare, disinquinare, e desalinizzare l'acqua contaminata utilizzando particelle su scala nanometrica di questi materiali attivi. Gli ingegneri li chiamano nanoscavenger. L'inconveniente da un punto di vista tecnico è che è quasi impossibile recuperare i nanoscavenger una volta in acqua.
In un articolo pubblicato online il 14 maggio sulla rivista Comunicazioni sulla natura , un team interdisciplinare di ingegneri della Stanford University ha annunciato di aver sviluppato un nuovo tipo di nanoscavenger con un nucleo sintetico ultrareattivo al magnetismo, consentendo il recupero facile ed efficiente di praticamente tutti i purificatori su nanoscala.
"Nell'acqua contaminata, i nanoscavenger fluttuano intorno, urtare e uccidere casualmente i batteri o attaccarsi ai vari inquinanti molecolari che stanno cercando, " ha detto Shan Wang, l'autore senior dello studio e un professore di scienza dei materiali e ingegneria e congiuntamente di ingegneria elettrica a Stanford. "Quindi, quando i contaminanti sono attaccati al nanoscavenger o morti, il magnete si accende e le particelle svaniscono."
Ultrasensibile al magnetismo
L'uso del magnetismo per recuperare i nanoscavenger non è nuovo. Ci sono tecnologie commerciali oggi che hanno modellato nanoscavenger con un nucleo di ossido di ferro magnetico circondato da un materiale attivo, ma questi metodi ingegnosi sono tutt'altro che perfetti. L'ossido di ferro non è assolutamente sensibile al magnetismo e rimangono troppi nanoscavenger nell'acqua per poter essere considerato sicuro per l'uso umano.
L'anticipo di Stanford sostituisce l'ossido di ferro con un materiale sintetico. Il nucleo di Stanford è, in realtà, non un solo materiale, ma un disco a più strati. Gli strati esterni magnetici del materiale sintetico sono inseriti su entrambi i lati di un centro in titanio, ma con una svolta.
Questa immagine mostra i nanoscavenger sintetici simili a dischi raccolti magneticamente. Credito:Mingliang Zhang, Stanford School of Engineering.
"I momenti magnetici dei due strati esterni sono opposti. Cioè, la direzione della forza magnetica nello strato superiore e lo strato inferiore puntano in direzioni opposte, annullando efficacemente le proprietà magnetiche del materiale, " disse Mingliang Zhang, un dottorando in scienza dei materiali e ingegneria e co-primo autore dello studio.
Vale a dire, nel loro stato naturale, i nuovi nanoscavenger non sono magnetici. Non sarebbero attratti da un altro materiale magnetico, ad esempio. Quando i dischi compositi sono esposti a un forte campo magnetico, però, il magnetismo dei due campi opposti si trasforma in allineamento, aggravando l'effetto magnetico.
Test affiancati
Così facendo, i nanoscavenger diventano ultrareattivi al magnetismo, molto più dell'ossido di ferro di base utilizzato nelle tecnologie odierne. Il team di Stanford ha soprannominato il loro progresso con il nome ossimorico:"nuclei antiferromagnetici sintetici". Il prefisso anti- in questo caso significa in direzione opposta, non amagnetico.
Con un nucleo di successo creato, i ricercatori poi ricoprono il tutto con argento o biossido di titanio o altro materiale reattivo a seconda del contaminante che stanno prendendo di mira. Nei test dal vivo utilizzando nanoscavenger ricoperti d'argento immersi in acqua contaminata con E. coli batteri, con un dosaggio di argento di appena 17 parti per milione, il team di Stanford è stato in grado di uccidere il 99,9% dei batteri in soli 20 minuti. Meglio ancora, hanno rimosso praticamente tutti i nanoscavenger in soli cinque minuti di esposizione a un magnete permanente.
Test affiancati dell'efficacia dello stesso magnete su nanoscavenger con nucleo di ossido di ferro mostrano una rapida raccolta di circa il 20% dei nanoscavenger negli stessi cinque minuti, ma poi l'effetto si stabilizza. Al minuto 20, quasi otto su dieci nanoscavenger del nucleo di ossido di ferro rimangono ancora nell'acqua.
La soluzione a una pentola
Dopo aver dimostrato un prototipo funzionante, il team sta ora costruendo varie iterazioni dei loro nanoscavenger con diversi esterni reattivi per colpire specifici inquinanti, così come una nuova classe di nanoscavenger leggermente più grandi che potrebbero contenere bande discrete di diversi reagenti.
"La nostra speranza è quella di creare un giorno una 'soluzione unica' che affronti l'acqua afflitta da una diversa miscela di contaminanti. Sarebbe una tecnologia chiave per le nazioni in via di sviluppo e aride in cui la qualità e la quantità dell'acqua sono di importanza fondamentale, " ha aggiunto Xing Xie, dottorando in ingegneria civile e ambientale e co-autore del paper.
