microscopisch, "nanomembraan"-vellen gemaakt van nylon lijken op een verward web. De kleine ijzeroxidedeeltjes op de vezeloppervlakken kunnen helpen om giftige chemicaliën uit water te verwijderen, maar als de deeltjes van het web worden gescheiden, ze kunnen zelf gevaren worden.

In een nieuwe studie, Cornell-onderzoekers onderzochten deze speciale nylonvellen - vol met aangebrachte ijzeroxidedeeltjes op nanoschaal - om te zien of de deeltjes losspoelden.

De deeltjes werken als magneten om bacteriën en virussen op te vangen, en om chemicaliën of kleurstofmoleculen uit water te extraheren. Membranen waaraan deze deeltjes zijn bevestigd, kunnen worden gebruikt in apparaten om waterverontreiniging te detecteren of in filters om chemicaliën of kleurstoffen uit industrieel afval te verwijderen. Echter, effectief en veilig zijn, de deeltjes moeten op het membraan blijven. De studie evalueerde de uniformiteit van de behandeling van nanodeeltjes en de deeltjesretentie van de nylonmembranen terwijl ze werden verwerkt (of gewassen) in oplossingen met verschillende pH-niveaus.

"Het is van cruciaal belang om de retentie en stabiliteit van deeltjes op vezels te evalueren om de bezorgdheid over de menselijke gezondheid en het milieu te verminderen, " zei Nidia Trejo, een Cornell-promovendus op het gebied van vezelwetenschap. Trejo, die met Margaret Frey, hoogleraar vezelwetenschap, auteur van de studie, "Een vergelijkende studie over electrosprayed, laag voor laag, en chemisch geënte nanomembranen geladen met ijzeroxide nanodeeltjes, " in de Journal of Applied Polymer Science , 14 juli.

De structuur van het nanomembraanblad ziet eruit als een droogvel, maar is gemaakt van kleine, willekeurig georiënteerde vezels die alleen met elektronenmicroscopen te zien zijn. Deze nanomembranen hebben een hoge oppervlakte-volumeverhouding, wat de functie van het materiaal versterkt.

Productiemethoden variëren afhankelijk van de vloeibare omgevingen waarin de membranen zouden worden gebruikt. Het hechten van nanodeeltjes van ijzeroxide aan nylonvezel gebeurt op drie manieren:elektrosprayen, wat een uniforme plaatsing van nanodeeltjes in de vezels vergemakkelijkt; laag-voor-laag montage, waar deeltjes elektrostatisch op de vezel worden gecoat; of chemische binding.

"Voor het membraan, het is belangrijk om de retentie en stabiliteit van deeltjes te evalueren, Trejo legde uit. "Je zou willen dat de nanodeeltjes op de Nylon 6-membranen blijven, zodat het materiaal gedurende het hele leven een functie kan hebben. Als het materiaal wordt gebruikt voor afvalwaterbehandelingstoepassingen, je zou niet willen dat de deeltjes zelf verontreinigende stoffen worden als ze uit de membranen en in het water vrijkomen."

De onderzoekers maakten gebruik van een scala aan state-of-the-art faciliteiten op de campus. Het Cornell Center for Materials Research (gefinancierd via het Materials Research Science and Engineering Center-programma van de National Science Foundation) ondersteunde deze studie via zijn gedeelde faciliteiten. Aanvullend, Cornell's Nanobiotechnology Center en het Cornell Nutrient Analysis Laboratory ondersteunden dit onderzoek.

KAN NANOFIBER JE LEVEN REDDEN?

Onderzoekers in het laboratorium van professor Margaret Frey creëren vezels die honderden keren dunner zijn dan een mensenhaar dat giftige chemicaliën en ziekteverwekkers kan opvangen. De vezels zijn ontworpen en gecombineerd om de verspreiding van landbouwchemicaliën te voorkomen en om giftige stoffen in vloeistoffen op te vangen.

Klein, complexe apparaten worden traditioneel gemaakt in hightech cleanrooms met dure apparatuur en kostbaar materiaal, zoals goud. Frey en haar collega's vervangen die kosten door de apparaten te maken met nanovezels van plastic, buiten de schone kamer, met behulp van een goedkope, schaalbaar proces:electrospinning.

Met behulp van nanovezels, processen die worden uitgevoerd in een medisch testlaboratorium - bijvoorbeeld zuiverende monsters, ingrediënten mengen, bacteriën vangen – kan worden gedaan met materiaal ter grootte van een pak kaarten. De vezels zijn een snelle, gemakkelijke en goedkope manier om je te concentreren op E. coli, choleratoxine of kankerverwekkende stoffen en om de nauwkeurigheid van de detectie te verbeteren. Eventueel, deze vezels zullen deel uitmaken van apparaten die net zo goedkoop en gebruiksvriendelijk zijn als thuiszwangerschapstests en zullen ziekten diagnosticeren zonder dat gespecialiseerde laboratoria nodig zijn - vooral nuttig in regio's met beperkte toegang tot artsen en ziekenhuizen.

Om te voorkomen dat pesticiden het milieu schaden, Frey en haar studenten hebben pesticiden ingekapseld in biologisch afbreekbare nanovezels. This keeps them intact until needed or makes sure they do not wash away from the plants they protect. The delivery system is created by electrospinning solutions of cellulose, the pesticide and polylactic acid – a polymer derived from corn.

The materials are biodegradable and derived from renewable resources. "The chemical is protected, so it won't degrade from being exposed to air and water, " Frey said, explaining that this keeps the chemical where it needs to be and allows it to time-release. "By allowing rapid detection of disease and preventing agricultural chemical release into the environment, these nanofibers just might save a life, " ze zei.