Con una nuova nanoparticella che converte la luce in calore, un team di ricercatori ha trovato una tecnologia promettente per eliminare gli inquinanti dall'acqua.

Tracce di contaminanti come pesticidi, i prodotti farmaceutici e l'acido perfluoroottanoico nelle fonti di acqua potabile hanno posto notevoli rischi per la salute dell'uomo negli ultimi anni. Questi microinquinanti hanno eluso i processi di trattamento convenzionali, ma alcuni processi chimici che tipicamente coinvolgono l'ozono, il perossido di idrogeno o la luce UV si sono dimostrati efficaci. Questi processi, però, può essere costoso e dispendioso in termini energetici.

Una nuova nanoparticella creata dagli ingegneri dell'Università di Yale come parte di uno sforzo per il Centro di ricerca ingegneristica sui nanosistemi di riso per il trattamento delle acque abilitato per le nanotecnologie (NEWT) potrebbe portare a tecnologie che aggirano tali limiti. La particella è descritta in uno studio pubblicato questa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

NEWT è un centro di ricerca nazionale istituito da Rice, Yale e altri nel 2015, e Jaehong Kim di Yale, il ricercatore capo e creatore della nuova nanoparticella, ha collaborato al progetto con Naomi Halas di Rice, Leader della ricerca nanofotonica di NEWT.

I ricercatori in diversi campi hanno mostrato interesse per le nanoparticelle d'oro per le loro proprietà fototermiche e fotocatalitiche, che si sono rivelati uno strumento efficace per usi come la terapia del cancro. non hanno, anche se, figurato pesantemente negli sforzi di purificazione dell'acqua, in parte a causa della difficoltà di disperdere le nanoparticelle in acqua senza agenti stabilizzanti che non vanno bene per le applicazioni di trattamento dell'acqua. I ricercatori di NEWT hanno trovato un modo per risolvere il problema progettando e sintetizzando nanobarre d'oro "Janus". Queste nanoparticelle, ciascuno centinaia di volte più piccolo della larghezza di un capello umano, sono semirivestiti di silice. Questo elemento di design è fondamentale, poiché la metà rivestita di silice consente a ciascuna nanobarra di rimanere separata dalle altre e sospesa nell'acqua.

"Abbiamo iniziato con le nanoparticelle d'oro e poi abbiamo esplorato un modo per stabilizzarle in vari modi, " ha detto Kim, l'Henry P. Becton Sr. Professor e presidente del Dipartimento di ingegneria chimica e ambientale di Yale. "Così abbiamo ideato il design Janus, dove copriamo solo una parte con la silice. Con questo rivestimento parziale, si disperdono molto bene nell'acqua, e questo è molto utile per questo tipo di applicazione."

I nanorod assorbono livelli intensi di luce e la convertono in calore localizzato sulle superfici, un processo molto più efficiente del riscaldamento dell'intero volume d'acqua. E poiché usa la luce del sole, il metodo è a basso costo e sostenibile. La stessa parte del nanorod funge anche da catalizzatore di trasferimento di elettroni per promuovere la distruzione dei microinquinanti.

"Svolge varie funzioni, in particolare utilizzando la radiazione solare per produrre calore altamente localizzato, " ha detto Kim. "Questa è la prima dimostrazione dell'utilizzo di quel particolare fenomeno per la distruzione degli inquinanti".

Hala, Stanley C. Moore, professore di ingegneria elettrica e informatica della Rice e direttore del Laboratorio di nanofotonica della Rice, ha svolto il ruolo chiave di chiarire i complessi meccanismi di come si verificano le reazioni fototermiche e fotocatalitiche su questa nanoparticella unica.

"Questa è davvero la nanoingegneria al suo meglio, una nuova nanoparticella progettata per risolvere un problema importante in quello che altrimenti sarebbe un ambiente impossibile, "ha detto Hala.

Kim ha notato che la ricerca è ancora nella sua fase iniziale, ed è necessario più lavoro per ridimensionarlo per l'applicazione nel mondo reale, compreso trovare un materiale meno costoso dell'oro.

NEWT Direttore Pedro Alvarez, George R. Brown, professore di ingegneria civile e ambientale della Rice, ha definito lo studio "un ottimo esempio di come i progressi all'avanguardia nella nanotecnologia possano aprire una nuova strada per risolvere le sfide idriche".

"È anche un ottimo esempio di come i ricercatori in due diversi campi di studio si uniscano sotto il tetto di NEWT per sviluppare idee altamente non convenzionali per risolvere problemi difficili, " Ha aggiunto.