(PhysOrg.com) -- Door een katoenen doek te dompelen in een hightech bouillon vol zilveren nanodraden en koolstofnanobuisjes, Stanford-onderzoekers hebben een nieuwe high-speed, goedkope filter die gemakkelijk kan worden geïmplementeerd om water in ontwikkelingslanden te zuiveren.

In plaats van bacteriën fysiek op te sluiten, zoals de meeste bestaande filters doen, het nieuwe filter laat ze doorstromen met het water. Maar tegen de tijd dat de ziekteverwekkers door zijn, ze zijn ook overgegaan, omdat het apparaat ze doodt met een elektrisch veld dat door het sterk geleidende "nano-gecoate" katoen loopt.

Bij laboratoriumtesten, meer dan 98 procent van de Escherichia coli-bacteriën die gedurende enkele seconden werden blootgesteld aan 20 volt elektriciteit in het filter, werden gedood. Er werden meerdere lagen stof gebruikt om het filter 2,5 inch dik te maken.

"Dit biedt echt een nieuwe waterbehandelingsmethode om ziekteverwekkers te doden, " zei Yi Cui, een universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering. "Het kan gemakkelijk worden gebruikt in afgelegen gebieden waar mensen geen toegang hebben tot chemische behandelingen zoals chloor."

Cholera, tyfus en hepatitis behoren tot de door water overgedragen ziekten die een voortdurend probleem vormen in de derde wereld. Cui zei dat het nieuwe filter kan worden gebruikt in waterzuiveringssystemen van steden tot kleine dorpen.

Sneller filteren door bacteriën door te laten

Filters die bacteriën fysiek vasthouden, moeten poriën hebben die klein genoeg zijn om te voorkomen dat de ziekteverwekkers er doorheen glippen, maar dat beperkt het debiet van de filters.

Omdat het nieuwe filter geen bacteriën vasthoudt, het kan veel grotere poriën hebben, waardoor het water sneller door kan stromen.

"Ons filter is ongeveer 80, 000 keer sneller dan filters die bacteriën vangen, " zei Cui. Hij is de hoofdauteur van een paper waarin het onderzoek wordt beschreven dat in een komende uitgave van zal worden gepubliceerd Nano-letters . De krant is nu online beschikbaar.

De grotere poriën in het filter van Cui zorgen er ook voor dat het niet verstopt raakt, wat een probleem is met filters die bacteriën fysiek uit het water halen.

Cui's onderzoeksgroep werkte samen met die van Sarah Heilshorn, een assistent-professor materiaalkunde en techniek, wiens groep zijn expertise op het gebied van bio-engineering heeft ingezet bij het ontwerpen van de filters.

Van zilver is al lang bekend dat het chemische eigenschappen heeft die bacteriën doden. "In de dagen voor pasteurisatie en koeling, mensen lieten soms zilveren dollars in melkflessen vallen om bacteriën te bestrijden, of zelfs doorslikken, ' zei Heilshorn.

Cui's groep wist van eerdere projecten dat koolstofnanobuisjes goede elektrische geleiders waren, dus redeneerden de onderzoekers dat de twee materialen samen effectief zouden zijn tegen bacteriën. "Deze aanpak haalt zilver echt uit het rijk van de volksremedie en naar een hightech-omgeving, waar het veel effectiever is, ' zei Heilshorn.

Het gebruik van het alledaagse houdt de kosten laag

Maar de wetenschappers wilden de filters ook zo goedkoop mogelijk ontwerpen. De hoeveelheid zilver die voor de nanodraden werd gebruikt, was zo klein dat de kosten te verwaarlozen waren, zei Cui. Nog altijd, ze hadden een funderingsmateriaal nodig dat "goedkoop, algemeen verkrijgbaar en chemisch en mechanisch robuust." Dus gingen ze voor gewone geweven katoenen stof.

"We hebben het bij Wal-mart, ' zei Cui.

Om van hun discountwinkelkatoen een filter te maken, ze doopten het in een oplossing van koolstofnanobuisjes, laat het drogen, doopte het vervolgens in de zilveren nanodraadoplossing. Ze probeerden ook beide nanomaterialen met elkaar te mengen en een enkele dunk te doen, wat ook werkte. Ze laten het katoen minstens een paar minuten weken, soms tot 20, maar dat was alles wat nodig was.

Het grote voordeel van de nanomaterialen is dat ze door hun kleine formaat makkelijker aan het katoen blijven plakken, zei Cui. De nanodraden variëren van 40 tot 100 miljardste van een meter in diameter en tot 10 miljoenste van een meter in lengte. De nanobuisjes waren slechts een paar miljoenste van een meter lang en zo smal als een enkele miljardste van een meter. Omdat de nanomaterialen zo goed hechten, de nanobuisjes creëren een gladde, continu oppervlak op de katoenvezels. De langere nanodraden hebben over het algemeen één uiteinde bevestigd aan de nanobuisjes en het andere uiteinde vertakt, porren in de lege ruimte tussen katoenvezels.

"Met een doorlopende structuur over de lengte, je kunt de elektronen heel efficiënt verplaatsen en het filter echt heel geleidend maken, "zei hij. "Dat betekent dat het filter minder spanning nodig heeft."

Minimale benodigde elektriciteit

De elektrische stroom die helpt bij het doden is slechts een paar milliampère sterk - nauwelijks genoeg om een ​​tintelend gevoel bij een persoon te veroorzaken en wordt gemakkelijk geleverd door een klein zonnepaneel of een paar 12-volt autobatterijen. De elektrische stroom kan ook worden gegenereerd door een stationaire fiets of door een met de hand gedraaid apparaat.

De lage elektriciteitsbehoefte van het nieuwe filter is een ander voordeel ten opzichte van die welke bacteriën fysiek filteren, die elektrische pompen gebruiken om water door hun kleine poriën te persen. Die pompen hebben veel elektriciteit nodig om te werken, zei Cui.

In sommige van de laboratoriumtests van het nanofilter, de elektriciteit die nodig was om stroom door het filter te laten lopen was slechts een vijfde van wat een filterpomp nodig zou hebben om een ​​vergelijkbare hoeveelheid water te filteren.

De poriën in het nanofilter zijn zo groot dat er niet gepompt hoeft te worden - de zwaartekracht is voldoende om het water er doorheen te laten stromen.

Hoewel het nieuwe filter is ontworpen om bacteriën door te laten, een bijkomend voordeel van het gebruik van de zilveren nanodraad is dat als er bacteriën zouden blijven hangen, het zilver zou het waarschijnlijk doden. Dit voorkomt biofouling, waarin bacteriën een film vormen op een filter. Biofouling is een veelvoorkomend probleem bij filters die kleine poriën gebruiken om bacteriën uit te filteren.

Cui zei dat de elektriciteit die door het geleidende filter gaat, ook de pH van het water nabij het filteroppervlak kan veranderen. wat zou kunnen bijdragen aan de dodelijkheid in de richting van de bacteriën.

Cui zei dat de volgende stappen in het onderzoek zijn om het filter op verschillende soorten bacteriën te proberen en om tests uit te voeren met verschillende opeenvolgende filters.

"Met één filter, we kunnen 98 procent van de bacteriën doden, " zei Cui. "Voor drinkwater, je wilt geen levende bacteriën in het water, dus we zullen meerdere filtertrappen moeten gebruiken."

Cui's onderzoeksgroep heeft onlangs aandacht gekregen voor het gebruik van nanomaterialen om batterijen te maken van papier en stof.