(Phys.org) — Onder zijn vele talenten, zilver is een antibioticum. Van titaandioxide is bekend dat het zich hecht aan bepaalde zware metalen en verontreinigende stoffen. Weer andere materialen doen hetzelfde voor zout. In recente jaren, milieu-ingenieurs hebben geprobeerd te desinfecteren, zuiveren, en ontzilting van verontreinigd water met behulp van nanodeeltjes van deze actieve materialen. Ingenieurs noemen ze nanoscavengers. Het probleem vanuit technisch oogpunt is dat het bijna onmogelijk is om de nanoscavengers eenmaal in het water terug te winnen.

In een artikel dat op 14 mei online is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , een interdisciplinair team van ingenieurs van Stanford University heeft aangekondigd dat het een nieuw type nanoscavenger heeft ontwikkeld met een synthetische kern die ultragevoelig is voor magnetisme, waardoor vrijwel elk van de zuiveringsinstallaties op nanoschaal gemakkelijk en efficiënt kan worden teruggewonnen.

"In verontreinigd water, nanoscavengers zweven rond, willekeurig tegen bacteriën botsen en ze doden of zich hechten aan de verschillende moleculaire verontreinigende stoffen die ze zoeken, " zei Shan Wang, de senior auteur van de studie en een professor in materiaalwetenschap en techniek en gezamenlijk van elektrotechniek aan Stanford. "Vervolgens, wanneer de verontreinigingen ofwel vastzitten aan de nanoscavenger of dood zijn, de magneet wordt ingeschakeld en de deeltjes verdwijnen."

Ultragevoelig voor magnetisme

Het gebruik van magnetisme om nanoscavengers terug te winnen is niet nieuw. Er zijn tegenwoordig commerciële technologieën die nanoscavengers hebben gemaakt met een kern van magnetisch ijzeroxide omgeven door een actief materiaal, maar deze ingenieuze methoden zijn minder dan perfect. IJzeroxide reageert niet absoluut op magnetisme en er blijven te veel nanoscavengers in het water om als veilig voor menselijk gebruik te worden beschouwd.

De Stanford Advance vervangt het ijzeroxide door een synthetisch materiaal. De kern van Stanford is, in werkelijkheid, geen enkel materiaal, maar een schijf van meerdere lagen. Magnetische buitenlagen van het synthetische materiaal zijn gesandwiched aan weerszijden van een titanium centrum, maar met een twist.

"De magnetische momenten van de twee buitenste lagen zijn tegengesteld. Dat wil zeggen, de richting van de magnetische kracht in de bovenste laag en de onderste laag wijzen in tegengestelde richting, het effectief annuleren van de magnetische eigenschappen van het materiaal, " zei Mingliang Zhang, een promovendus in materiaalkunde en techniek en co-eerste auteur van de studie.

Het is te zeggen, in hun natuurlijke staat, de nieuwe nanoscavengers zijn niet magnetisch. Ze zouden niet worden aangetrokken door een ander magnetisch materiaal, bijvoorbeeld. Wanneer de composietschijven worden blootgesteld aan een sterk magnetisch veld, echter, het magnetisme van de twee tegengestelde velden verandert in uitlijning, versterken van het magnetische effect.

Side-by-side testen

Daarbij, de nanoscavengers worden ultragevoelig voor magnetisme, veel meer dan het basisijzeroxide dat in de huidige technologieën wordt gebruikt. Het Stanford-team heeft hun opmars de oxymoronische naam gegeven:'synthetische antiferromagnetische kernen'. Het voorvoegsel anti- betekent in dit geval in tegengestelde richting, niet niet-magnetisch.

Met een succesvolle kern gecreëerd, de onderzoekers dekken het vervolgens allemaal af met zilver of titaniumdioxide of ander reactief materiaal, afhankelijk van de verontreiniging waarop ze zich richten. In live tests met nanoscavengers met zilveren dop die zijn ondergedompeld in water dat besmet is met E coli bacteriën - met een zilverdosering van slechts 17 delen per miljoen - was het Stanford-team in staat om 99,9% van de bacteriën in slechts 20 minuten te doden. Beter nog, ze verwijderden vrijwel alle nanoscavengers in slechts vijf minuten blootstelling aan een permanente magneet.

Side-by-side tests van de effectiviteit van dezelfde magneet op nanoscavengers met ijzeroxide kern tonen een snelle verzameling van ongeveer 20 procent van de nanoscavengers in dezelfde vijf minuten, maar dan neemt het effect af. Tegen minuut 20, bijna acht op de tien nanoscavengers met ijzeroxidekern zitten nog steeds in het water.

De eenpansoplossing

Na een werkend prototype te hebben gedemonstreerd, het team bouwt nu verschillende iteraties van hun nanoscavengers met verschillende reactieve buitenkanten om specifieke verontreinigende stoffen aan te pakken, evenals een nieuwe klasse van iets grotere nanoscavengers die afzonderlijke banden van verschillende reactanten kunnen dragen.

"Onze hoop is om op een dag een 'one-pot-oplossing' te creëren die water aanpakt dat wordt geteisterd door een diverse mix van verontreinigingen. Dat zou een sleuteltechnologie zijn voor zich ontwikkelende en droge landen waar waterkwaliteit en -kwantiteit van cruciaal belang zijn, " voegde Xing Xie toe, een promovendus in civiele en milieutechniek en co-eerste auteur van het papier.