Ze barsten uit toiletbellen, zwemmen over drinkwater, verspreid door hoesten. Kleine infectieuze microben - van het virus dat COVID-19 veroorzaakt tot bacteriën in het water - doden elk jaar miljoenen mensen over de hele wereld. Nu bestuderen ingenieurs hoe zinkoxide-oppervlakken en natuurlijk hydrodynamisch karnen de kracht hebben om eerst ziekteverwekkers te doden.

"Bacteriële besmetting van gemeenschappelijke oppervlakken en van drinkwater zijn van oudsher de belangrijkste infectieroutes voor de overdracht van ernstige ziekten, leidt vaak tot sterfte, " zei Abinash Tripathy, een onderzoeker in mechanische en procestechniek aan de ETH Zürich. "Ons doel was om een ​​oppervlak te ontwerpen dat beide problemen kan aanpakken."

Zijn groep dompelde schoon zink 24 uur onder in heet water, die een zinkoxide-oppervlak vormde dat bedekt was met scherpe nanonaalden. Daarna introduceerden ze E. coli-bacteriën.

Het oppervlak doodt bijna alle bacteriën die erop worden gekweekt zeer efficiënt. En de grootste verrassing? Als je in verontreinigd water zit, het oppervlak doodt alle watergedragen E. coli binnen drie uur, zelfs bacteriën die het niet heeft aangeraakt.

Deze waterdesinfectie op afstand werkt omdat het proces een reactieve zuurstofsoort genereert, die de celwanden van bacteriën beschadigen. De groep van ETH Zürich, IIT Ropar India, en Empa, Zwitserland, presenteerden hun eerste bevindingen op de 73e jaarlijkse bijeenkomst van de afdeling Fluid Dynamics van de American Physical Society.

In Zuidoost-Aziatische en Afrikaanse landen waar schoon drinkwater schaars is, de huidige desinfectiemethoden voor zonne-water duren tot 48 uur en vereisen een minimale intensiteit van zonlicht. Het nieuwe oppervlak van zinkoxide versnelt het desinfectieproces en heeft geen licht nodig.

"Dit oppervlak kan tegen zeer lage kosten worden gebruikt om water in afgelegen gebieden te desinfecteren. " zei Tripathy. "De fabricagetechniek is milieuvriendelijk, eenvoudig, en zuinig."

Oppervlakte- en watergedragen ziekteverwekkers zijn niet de enige moordenaars. Naarmate de COVID-19-pandemie is versterkt, virussen en bacteriën in de lucht vormen een serieuze wereldwijde uitdaging voor desinfectie.

De druppeltjes die ziekteverwekkers door de lucht vervoeren, kunnen een rol spelen bij het vernietigen ervan. In de microseconden die druppeltjes nodig hebben om zich te vormen, hun vloeistoffen herschikken zich snel en benadrukken de microben binnenin.

"Denk aan een emmer met een vis erin. Je stelt je voor dat als je de vloeistof in de emmer te snel gaat karnen, de vissen zullen niet erg blij zijn, " zei Oliver McRae, een werktuigbouwkundig ingenieur. "Het is iets soortgelijks - zij het op een veel, veel kleinere schaal—wanneer je hebt, zeggen, een ziekteverwekker in een druppel. Uiteindelijk gaat de vloeistof te veel bewegen om die bacterie of dat virus te laten overleven."

McRae en een team van de Boston University en de Centers for Disease Control and Prevention bestudeerden hoe hydrodynamische agitatie werkt wanneer milieubellen druppeltjes produceren. Na het uitbreken van de pandemie, ze begonnen druppeltjes te modelleren die vergelijkbaar zijn met die geproduceerd door de longen en de luchtwegen.

Met behulp van computationele vloeistofdynamica, het team voorspelde hoe agitatie werkt tijdens aërosolvorming. Ze ontdekten dat stressoren erg gevoelig zijn voor druppelgrootte. Als de druppel krimpt of groeit met één orde van grootte, de stressoren veranderen met tweeënhalve orde van grootte.

Het onderzoek zou kunnen helpen verklaren waarom ziekteverwekkers in sommige druppeltjes overleven en andere niet.

"Onze focus lag op het kwantificeren van de stressoren in deze druppels, " zei McRae. "Hopelijk zal dit in de toekomst worden gebruikt als onderdeel van een groter model om de overdracht van ziekten op basis van aerosolen te voorspellen."