Met een nieuw nanodeeltje dat licht omzet in warmte, een team van onderzoekers heeft een veelbelovende technologie gevonden om water van verontreinigende stoffen te zuiveren.

Traceer hoeveelheden verontreinigingen zoals pesticiden, geneesmiddelen en perfluoroctaanzuur in drinkwaterbronnen hebben de afgelopen jaren aanzienlijke gezondheidsrisico's voor de mens opgeleverd. Deze microverontreinigingen hebben conventionele zuiveringsprocessen ontgaan, maar bepaalde chemische processen waarbij doorgaans ozon betrokken is, waterstofperoxide of UV-licht zijn effectief gebleken. Deze processen, echter, duur en energie-intensief kan zijn.

Een nieuw nanodeeltje gemaakt door ingenieurs van Yale University als onderdeel van een inspanning voor het Rice-based Nanosystems Engineering Research Center for Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT) zou kunnen leiden tot technologieën die deze beperkingen omzeilen. Het deeltje wordt beschreven in een studie die deze week is gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

NEWT is een nationaal onderzoekscentrum opgericht door Rice, Yale en anderen in 2015, en Yale's Jaehong Kim, de hoofdonderzoeker en maker van het nieuwe nanodeeltje, werkte aan het project samen met Rice's Naomi Halas, NEWT's onderzoeksleider op het gebied van nanofotonica.

Onderzoekers op verschillende gebieden hebben interesse getoond in gouden nanodeeltjes vanwege hun fotothermische en fotokatalytische eigenschappen, die een effectief hulpmiddel zijn gebleken voor toepassingen als kankertherapie. Ze hebben niet, Hoewel, speelde een belangrijke rol in de inspanningen voor waterzuivering, deels vanwege de moeilijkheid om nanodeeltjes in water te dispergeren zonder stabilisatoren die niet goed zijn voor waterbehandelingstoepassingen. De NEWT-onderzoekers hebben een manier gevonden om dat op te lossen door "Janus" gouden nanostaafjes te ontwerpen en te synthetiseren. Deze nanodeeltjes, elk honderden keren kleiner dan de breedte van een mensenhaar, zijn half bedekt met silica. Dit ontwerpelement is van cruciaal belang, omdat de met silica gecoate helft ervoor zorgt dat elke nanostaaf gescheiden blijft van de andere en in het water zweeft.

"We zijn begonnen met gouden nanodeeltjes en hebben toen een manier onderzocht om ze op verschillende manieren te stabiliseren, " zei Kim, de Henry P. Becton Sr. Professor en voorzitter van Yale's Department of Chemical and Environmental Engineering. "Dus kwamen we met het Janus-ontwerp, waar we slechts een deel met het silica bedekken. Met deze gedeeltelijke coating, ze worden heel goed in water verspreid, en dat is erg handig voor dit soort toepassingen."

De nanostaafjes absorberen intense lichtniveaus en zetten het om in warmte die zich op de oppervlakken bevindt - een proces dat veel efficiënter is dan het hele volume water te verwarmen. En omdat het zonlicht gebruikt, de methode is goedkoop en duurzaam. Hetzelfde deel van de nanostaaf fungeert ook als een elektronenoverdrachtkatalysator om de vernietiging van microverontreinigingen te bevorderen.

"Het vervult verschillende functies, met name door de zonnestraling te gebruiken om zeer lokale warmte te produceren, " Zei Kim. "Dit is de eerste demonstratie van het gebruik van dat specifieke fenomeen voor de vernietiging van vervuilende stoffen."

Hala, Rice's Stanley C. Moore hoogleraar elektrische en computertechniek en directeur van Rice's Laboratory for Nanophotonics, speelde de sleutelrol bij het ophelderen van de complexe mechanismen van hoe de fotothermische en fotokatalytische reacties plaatsvinden op dit unieke nanodeeltje.

"Dit is echt nano-engineering op zijn best, een nieuw nanodeeltje ontworpen om een ​​belangrijk probleem op te lossen in wat anders een onmogelijke omgeving zou zijn, ' zei Halas.

Kim merkte op dat het onderzoek zich nog in de beginfase bevindt, en er is meer werk nodig om het op te schalen voor toepassing in de echte wereld, inclusief het vinden van een materiaal dat goedkoper is dan goud.

NEWT-directeur Pedro Alvarez, Rice's George R. Brown hoogleraar civiele en milieutechniek, noemde de studie "een geweldig voorbeeld van hoe de voorhoede van nanotechnologie een nieuwe manier kan vormen om wateruitdagingen op te lossen."

"Het is ook een geweldig voorbeeld van hoe onderzoekers in twee verschillende vakgebieden samenkomen onder het dak van NEWT om zeer onconventionele ideeën te ontwikkelen om moeilijke problemen op te lossen, " hij voegde toe.