Oceanische olielozingen zijn moeilijk op te ruimen. Ze verven veren een stroperig sepia en bruinen viseieren een giftige tint. Hoe turbulenter het water, hoe verder de slick zich verspreidt, met inktachtige druppeltjes die afdalen in de zilte diepte.

Nu kan technologie slagen waar hardwerkende vrijwilligers in het verleden hebben gefaald. Onderzoekers van het A*STAR Institute of Bioengineering and Nanotechnology (IBN) gebruiken nanowetenschap om een ​​olielek te veranderen in een drijvende massa bruine gelei die kan worden opgeschept voordat het zijn weg naar de voedselketen kan vinden.

"Nanowetenschap maakt het mogelijk om de essentiële structuren van materialen op nanometerschaal aan te passen om specifieke eigenschappen te bereiken, " zegt chemicus Yugen Zhang van IBN, die sommige van de technologieën ontwikkelt. "Structuren en materialen in het nanometerbereik krijgen vaak onderscheidende eigenschappen die niet worden gezien in andere groottebereiken, " voegt Huaqiang Zeng toe, een andere chemicus bij IBN.

Jelly slick

Er zijn veel manieren om een ​​olievlek op te ruimen, en geen enkele is volledig effectief. Vers, dik vet kan in brand worden gestoken of worden tegengehouden door drijvende barrières die skimmers eruit kunnen scheppen. De slick kan ook inefficiënt worden uitgehard, rommelig geabsorbeerd, gevaarlijk verspreid, of langzaam geconsumeerd door olie-grazende bacteriën. Deze zijn allemaal op grote schaal gebrekkig, vooral in ruw water.

Organische moleculen met speciale geleercapaciteiten bieden een goedkope, eenvoudig en milieuvriendelijk alternatief voor het opruimen van de rommel. Zeng heeft verschillende van dergelijke moleculen ontwikkeld die ruwe olie binnen enkele minuten in gelei veranderen.

Om zijn 'supergelators' te creëren, Zeng ontwierp de moleculen om met elkaar te associëren zonder fysieke bindingen te vormen. Wanneer gesproeid op verontreinigd zeewater, de moleculen bundelen zich onmiddellijk tot lange vezels van 40 tot 800 nanometer breed. Deze draden creëren een web dat de afgewisselde olie vangt in een gigantische klodder die op het wateroppervlak drijft. De smurrie kan dan snel uit de oceaan worden gezeefd. Waardevolle ruwe olie kan later worden teruggewonnen met behulp van een gemeenschappelijke techniek die wordt gebruikt door aardolieraffinaderijen, gefractioneerde destillatie genoemd.

Zeng testte de supergelators op vier soorten ruwe olie met verschillende dichtheden, viscositeit en zwavelgehalte in een kleine ronde schaal. De resultaten waren indrukwekkend. "De supergelators stolden zowel vers gemorste ruwe olie als sterk verweerde ruwe olie 37 tot 60 keer hun eigen gewicht, ", zegt Zeng. De materialen die worden gebruikt om deze organische moleculen te produceren, zijn goedkoop en niet giftig, waardoor ze een commercieel haalbare oplossing zijn voor het beheersen van ongevallen op zee. Zeng hoopt samen te werken met industriële partners om de nanomoleculen op veel grotere schaal te testen.

Onzout water

Wetenschappers van IBN gebruiken nanowetenschap ook om zout uit zeewater en zware metalen uit verontreinigd water te verwijderen.

Met afnemende wereldwijde zoet- en grondwatervoorraden, veel landen zijn op zoek naar ontzilting als een levensvatbare bron van drinkwater. Ontzilting zal naar verwachting in 2060 in 30 procent van de watervraag van Singapore voorzien, wat een verdrievoudiging van de huidige ontziltingscapaciteit van het land betekent. Maar ontzilting vereist een enorm energieverbruik en omgekeerde osmose, de reguliere technologie waarvan het afhankelijk is, heeft een relatief hoge kostprijs. Omgekeerde osmose werkt door extreme druk te gebruiken om watermoleculen door dicht gebreide membranen te persen.

Een opkomende alternatieve oplossing bootst de manier na waarop eiwitten zijn ingebed in celmembranen, bekend als aquaporines, water in en uit kanaliseren. Sommige onderzoeksgroepen hebben zelfs membranen gemaakt van vetachtige lipidemoleculen die natuurlijke aquaporines kunnen bevatten. Zeng heeft een goedkopere en meer veerkrachtige vervanging ontwikkeld.

Zijn bouwstenen bestaan ​​uit spiraalvormige noedels met plakkerige uiteinden die aansluiten om lange spiralen te vormen. Watermoleculen kunnen door de openingen van 0,3 nanometer in het midden van de spiralen stromen, maar alle andere positief en negatief geladen ionen waaruit zout water bestaat, zijn te omvangrijk om door te laten. Deze omvatten natrium, potassium, calcium, magnesium, chloor en zwaveloxide. "In water, al deze ionen zijn sterk gehydrateerd, gehecht aan veel watermoleculen, waardoor ze te groot zijn om door de kanalen te gaan, ' zegt Zeng.

De technologie kan leiden tot wereldwijde besparingen tot 5 miljard dollar per jaar, zegt Zeng, maar pas na nog een aantal jaren van testen en tweaken van de compatibiliteit en stabiliteit van het lipidemembraan met de nanospiralen. "Dit is momenteel een belangrijk aandachtspunt in mijn groep, "zegt hij. "We willen dit voor elkaar krijgen, zodat we de kosten van waterontzilting tot een acceptabel niveau kunnen verlagen."

Stick en non-stick

Nanomaterialen bieden ook een goedkope, effectieve en duurzame manier om giftige metalen uit drinkwater te filteren.

Het gehalte aan zware metalen in drinkwater is streng gereguleerd vanwege de ernstige schade die de stoffen aan de gezondheid kunnen toebrengen, zelfs bij zeer lage concentraties. De Wereldgezondheidsorganisatie eist dat niveaus van lood, bijvoorbeeld, onder de tien delen per miljard (ppb) blijven. Water behandelen volgens deze normen is duur en uiterst moeilijk.

Zhang heeft een organische substantie ontwikkeld die gevuld is met poriën en die giftige metalen kan vasthouden en verwijderen uit water tot minder dan één ppb. Elke porie is tien tot twintig nanometer breed en zit boordevol verbindingen, bekend als amines die aan de metalen kleven.

Gebruik makend van het feit dat amines hun grip op de metalen verliezen in zure omstandigheden, de waardevolle en beperkte hulpbron kan worden teruggewonnen door de industrie, en de polymeren hergebruikt.

Het geheim achter het succes van Zhang's polymeren is het grote oppervlak dat wordt bedekt door de poriën, wat zich vertaalt in meer mogelijkheden om met de metalen om te gaan en ze vast te houden. "Andere materialen hebben een oppervlakte van ongeveer 100 vierkante meter per gram, maar de onze is 1, 000 vierkante meter per gram, "zegt Zhang. "Het is 10 keer hoger."

Zhang testte zijn nanoporeuze polymeren op met lood verontreinigd water. Hij strooide een poedervormige versie van het polymeer in een licht alkalische vloeistof die bijna 100 ppb lood bevatte. Binnen enkele seconden, loodgehalte teruggebracht tot minder dan 0,2 ppb. Soortgelijke resultaten werden waargenomen voor cadmium, koper en palladium. Door de polymeren te wassen in zuur kwam tot 93 procent van het lood vrij.

Omdat veel bedrijven deze technologieën graag willen schalen voor toepassingen in de echte wereld, het zal niet lang meer duren voordat nanowetenschap de aarde behandelt voor zijn vele kwalen.