Credito:Yale School of Engineering and Applied Science
Una volta che una fonte d'acqua è contaminata, può essere costoso e difficile da bonificare. I rimedi naturali possono richiedere centinaia di anni e tuttavia potrebbero non rimuovere con successo tutti i contaminanti pericolosi. Quando si tratta di problemi di salute pubblica globale come questo, la necessità di soluzioni nuove e sicure è urgente. John Fortner sta progettando soluzioni da zero per fare proprio questo.
Fortner, professore associato di ingegneria chimica e ambientale, guida uno dei pochi laboratori negli Stati Uniti a studiare l'intersezione tra scienza dei materiali e ingegneria ambientale. Lì, i materiali sintetizzati direttamente in laboratorio, siano essi nanoparticelle magnetiche, compositi a base di grafene o catalizzatori ipertermici, sono accuratamente progettati per trattare i contaminanti nelle fonti d'acqua.
Fortner è sempre stato attratto dal miglioramento della salute pubblica attraverso percorsi basati sull'ambiente. Inizialmente ha considerato una carriera in medicina quando ha scoperto per la prima volta il campo dell'ingegneria ambientale.
"Ho seguito un corso di biorisanamento e sono rimasto affascinato dall'ingegneria dei sistemi biologici per abbattere i contaminanti in situ", ha detto Fortner.
A quel tempo, la tradizionale ricerca di ingegneria ambientale si concentrava sull'uso di microbi, organismi biologici su scala microscopica, per degradare i contaminanti all'interno dei flussi di acque reflue industriali. Dopo aver seguito corsi che hanno unito la sua attenzione biologica ai sistemi di ingegneria applicata, Fortner ha trovato la sua "idoneità" e presto è passato all'ingegneria ambientale.
Sebbene oggi onnipresente, la ricerca sui nanomateriali è un campo relativamente nuovo. Alla fine del XX secolo, lo sviluppo di tecnologie di imaging avanzate ha consentito agli scienziati di studiare per la prima volta i nanomateriali. Nel 1989, 15 anni dopo la coniata del termine "nanoscienza", la prima azienda di nanotecnologie iniziò a commercializzare nanostrutture. Nel 2001, quando Fortner è entrato nella scuola di specializzazione, i nanomateriali erano stati industrializzati nell'informatica e nell'ingegneria biomedica.
Rispetto alle loro controparti più grandi, i nanomateriali presentano vantaggi, come la sintonizzabilità e/o la reattività unica, derivanti dalle loro dimensioni incredibilmente piccole e dalle nuove proprietà. Come dice Fortner, "i nanomateriali hanno il potenziale per fare ciò che i materiali tradizionali semplicemente non possono".
Nel 1985, i chimici della Rice scoprirono un nuovo allotropo di carbonio, il buckminsterfullerene (chiamato fullereni o "buckyballs"), che li portò a un Premio Nobel per la chimica nel 1996 e diede vita a un boom della nanotecnologia alla Rice e oltre. Attraverso questo, il Center for Biological and Environmental Nanotechnology, un centro di ricerca finanziato dall'NSF, è stato fondato a Rice quando Fortner ha iniziato i suoi studi universitari. Lì, ha lavorato con i collaboratori per comprendere il comportamento dei nanomateriali nell'ambiente, con il suo dottorato di ricerca. tesi incentrata sui fullereni nei sistemi naturali. A quel tempo, si sapeva molto poco della questione che ha portato a diverse scoperte interessanti alla base del campo emergente della nanotecnologia ambientale.
"All'epoca, c'era così tanto da esplorare", ha detto Fortner. "Oltre a comprendere il comportamento fondamentale dei nanomateriali nell'ambiente, era chiaro che c'erano fantastiche opportunità di applicare 'nano' a problemi ambientali critici nel rilevamento e nel trattamento (bonifica dell'inquinamento)... per aiutare a rendere la vita delle persone più sana attraverso un ambiente migliore e più pulito. "
Subito dopo la laurea, Fortner è entrato a far parte della facoltà della Washington University di St. Louis, dove ha studiato i meccanismi fondamentali coinvolti con la sintesi e la reattività delle nanostrutture. Era particolarmente interessato a capire in che modo le nanoparticelle degradano i contaminanti in modo diverso rispetto ai sistemi tradizionali e se le nanoparticelle hanno applicazioni oltre l'industria dell'acqua.
Durante la sua permanenza alla Washington University, è stato membro dell'International Center for Energy, Environment, and Sustainability, dove ha collaborato con altri ricercatori per sviluppare nanotecnologie per una vasta gamma di applicazioni, tra cui nuove membrane per il trattamento dell'acqua e tecnologie di rilevamento.
"Era un posto meraviglioso per iniziare una carriera di ricerca indipendente", ha detto Fortner. "Lì ho sviluppato collaborazioni straordinarie, che mi hanno spinto ancora di più al lato fondamentale della chimica e della scienza dei materiali."
Fortner è entrato a far parte della facoltà del Dipartimento di Ingegneria Chimica e Ambientale di Yale nel 2019. Nel Fortner Lab, quasi tutto è creato da zero:i ricercatori progettano e sintetizzano nanoparticelle, compositi multicomponente e rivestimenti funzionali associati per affrontare i problemi ambientali legati all'acqua.
Una delle sue collaborazioni più recenti è incentrata sui contaminanti perfluoroalchilici (PFAS), che sono strutture di carbonio fluorurato che si trovano in numerosi prodotti di consumo che vanno dagli involucri per fast food alle pentole in teflon alle schiume antincendio. Poiché questi prodotti sono stati progettati per non essere reattivi alla maggior parte delle sostanze chimiche o alle alte temperature, i contaminanti PFAS non possono essere trattati utilizzando i processi di trattamento biologico convenzionali. Per affrontare queste "sostanze chimiche per sempre", il laboratorio di Fortner, in collaborazione con Kurt Pennell della Brown University e Natalie Capiro della Auburn University, ha progettato nanoparticelle superparamagnetiche, che sono rivestite in modo speciale con assorbenti. Hanno scoperto che quando queste nanoparticelle ingegnerizzate vengono disperse in una fonte inquinata, i contaminanti vengono attratti da specifici gruppi funzionali sulla molecola. Le particelle, insieme ai contaminanti, possono quindi essere raccolte utilizzando un campo magnetico e il PFAS concentrato può essere rimosso. Questa strategia consente di gestire volumi di media molto grandi in modo mirato ed efficiente dal punto di vista energetico.
"È incredibile", ha detto Fortner. "Possiamo assorbire una quantità significativa di PFAS su una particella e utilizzare semplicemente un magnete per rimuoverla. È un bel modo di "pescare" per rimuovere i PFAS, o altri contaminanti, da una fonte d'acqua inquinata."
Rispetto ad altri laboratori di ricerca intorno a Yale, il Fortner Lab è una forza piccola ma potente. Attualmente sei dottorato di ricerca gli studenti sono guidati da Fortner, oltre a due ricercatori post-dottorato. Le dimensioni ridotte del gruppo gli consentono di lavorare individualmente con gli studenti, consentendo loro di assumere la reale titolarità dei progetti di ricerca. Susanna Maisto, dottore di ricerca al primo anno in Ingegneria Ambientale. studente, descrive il gruppo di ricerca come "di supporto, accogliente e collaborativo".
"Il dottor Fortner ha un ottimo stile di tutoraggio; fornisce sempre tutto il supporto di cui hai bisogno, ma senza mai esagerare". ha detto Maisto. "Fa il check-in spesso per assicurarsi che stiamo prosperando dentro e fuori dal laboratorio". + Esplora ulteriormente
