Questo dispositivo nanostrutturato, grande circa la metà di un francobollo, utilizza la luce solare per disinfettare rapidamente l'acqua. È costituito da sottili scaglie di bisolfuro di molibdeno disposte come pareti su una superficie di vetro e ricoperte da un sottile strato di rame. La luce che cade sulle pareti innesca la formazione di perossido di idrogeno (H2O2) e altre "specie reattive dell'ossigeno" che uccidono i batteri. Credito:C. Liu et al., Nanotecnologia della natura
In molte parti del mondo, l'unico modo per rendere sicura l'acqua germinata è far bollire, che consuma carburante prezioso, o mettendolo al sole in una bottiglia di plastica in modo che i raggi ultravioletti uccidano i microbi. Ma poiché i raggi UV trasportano solo il 4% dell'energia totale del sole, il metodo UV richiede dalle sei alle 48 ore, limitando la quantità di acqua le persone possono disinfettare in questo modo.
Ora i ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e della Stanford University hanno creato un dispositivo nanostrutturato, grande circa la metà di un francobollo, che disinfetta l'acqua molto più velocemente del metodo UV sfruttando anche la parte visibile dello spettro solare, che contiene il 50 per cento dell'energia solare.
Negli esperimenti riportati oggi in Nanotecnologia della natura , la luce del sole che cadeva sul piccolo dispositivo ha innescato la formazione di perossido di idrogeno e altre sostanze chimiche disinfettanti che hanno ucciso più del 99,999% dei batteri in soli 20 minuti. Quando il loro lavoro è stato terminato, le sostanze chimiche killer si sono rapidamente dissipate, lasciando dietro di sé acqua pura.
"Il nostro dispositivo sembra un piccolo rettangolo di vetro nero. L'abbiamo appena lasciato cadere nell'acqua e messo tutto sotto il sole, e il sole ha fatto tutto il lavoro, "ha detto Chong Liu, autore principale del rapporto. È ricercatrice post-dottorato nel laboratorio di Yi Cui, un professore associato SLAC/Stanford e ricercatore con SIMES, lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences presso SLAC.
Nanoflake pareti ed elettroni desiderosi
Al microscopio elettronico la superficie del dispositivo sembra un'impronta digitale, con molte linee ravvicinate. Quelle linee sono film molto sottili - i ricercatori li chiamano "nanoflakes" - di bisolfuro di molibdeno che sono impilati sul bordo, come le pareti di un labirinto, sopra un rettangolo di vetro.
Un microscopio elettronico mostra il modello di pareti nanostrutturate sulla superficie del dispositivo. Immerso in un campione di acqua contaminata e posto alla luce del sole, ha ucciso più del 99,999% dei batteri in soli 20 minuti. Credito:C. Liu et al., Nanotecnologia della natura
Nella vita ordinaria, il bisolfuro di molibdeno è un lubrificante industriale. Ma come molti materiali, assume proprietà completamente diverse quando è realizzato in strati dello spessore di pochi atomi. In questo caso diventa un fotocatalizzatore:quando viene colpito dalla luce in entrata, molti dei suoi elettroni lasciano i loro posti abituali, e sia gli elettroni che i "buchi" che lasciano sono desiderosi di prendere parte alle reazioni chimiche.
Rendendo le loro pareti di bisolfuro di molibdeno nel giusto spessore, gli scienziati li hanno fatti assorbire l'intera gamma di luce solare visibile. E ricoprendo ogni minuscola parete con un sottile strato di rame, che funge anche da catalizzatore, sono stati in grado di usare quella luce solare per innescare esattamente le reazioni che volevano - reazioni che producono "specie reattive dell'ossigeno" come il perossido di idrogeno, un disinfettante di uso comune, che uccidono i batteri nell'acqua circostante.
Il bisolfuro di molibdeno è economico e facile da realizzare - una considerazione importante quando si realizzano dispositivi per un uso diffuso nei paesi in via di sviluppo, Ha detto Cui. Assorbe anche una gamma molto più ampia di lunghezze d'onda solari rispetto ai fotocatalizzatori tradizionali.
Risolvere i problemi di inquinamento
Il metodo non è un toccasana; ad esempio, non rimuove gli inquinanti chimici dall'acqua. Finora è stato testato solo su tre ceppi di batteri, anche se non c'è motivo di pensare che non ucciderebbe altri ceppi batterici e altri tipi di microbi, come i virus. Ed è stato testato solo su batteri mescolati con acqua in laboratorio, non sui complessi stufati di contaminanti trovati nel mondo reale.
Ancora, "È molto eccitante vedere che semplicemente progettando un materiale si può ottenere una buona prestazione. Funziona davvero, " disse Liù, che ha continuato a lavorare a un progetto nel laboratorio di Cui che sta sviluppando filtri dell'aria per combattere lo smog. "La nostra intenzione è quella di risolvere i problemi di inquinamento ambientale in modo che le persone possano vivere meglio".
