(PhysOrg.com) -- Les ingénieurs utilisent des techniques d'imagerie avancées pour examiner les matériaux bimétalliques qui ont dépollué plus de 50 sites de déchets toxiques.

Nanoparticules de fer 1, 000 fois plus fins qu'un cheveu humain ont démontré une capacité sans précédent à nettoyer les eaux souterraines contaminées depuis leur invention il y a 10 ans à Lehigh.

Les particules recouvertes de palladium ont dépollué plus de 50 sites de déchets toxiques aux États-Unis et dans d'autres pays en un dixième du temps, et à une plus grande économie d'échelle, que les méthodes traditionnelles de « pompage et traitement ».

Maintenant, grâce aux installations de microscopie et de spectroscopie électroniques inégalées de Lehigh, les chercheurs ont acquis des connaissances inégalées qui pourraient améliorer l'efficacité et étendre les applications des puissantes nanoparticules.

Les chercheurs ont utilisé la microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) et la spectroscopie à dispersion d'énergie des rayons X (XEDS) pour capturer, pour la première fois, l'évolution de la nanostructure des particules bimétalliques lorsqu'elles éliminent les contaminants dans l'eau.

Les instruments d'imagerie avancés de Lehigh ont capturé des détails étonnants des réactions au sein des nanoparticules. Comme ils réagissent avec des polluants tels que le trichloroéthène (TCE), un solvant industriel toxique, les nanoparticules présentent d'énormes changements structurels. Le noyau de la particule se creuse, le fer diffuse vers l'extérieur, et le palladium, un catalyseur qui représente 1% de la masse des particules, migre de la surface extérieure vers la surface intérieure du fer.

Écrit plus tôt ce mois-ci dans Sciences et technologies de l'environnement ( EST ), la première revue dans son domaine, les chercheurs de Lehigh ont rapporté que la capacité des nanoparticules à éliminer les toxines diminue à mesure que les particules « vieillissent » et subissent des changements structurels avec l'exposition à l'eau.

leurs résultats, ils ont écrit, suggèrent que l'âge et l'environnement de stockage des nanoparticules jouent un rôle essentiel en influençant leur efficacité en tant qu'agents de remédiation.

Minuscule mais puissant

L'article ES&T, intitulé "Évolution structurelle du fer à valeur nulle à l'échelle nanométrique dopé au Pd (nZVI) dans les milieux aqueux et implications pour le vieillissement et la réactivité des particules, " a été écrit par Weile Yan, un doctorat candidat en génie civil et environnemental, avec Andrew Herzing ’07 Ph.D., un ingénieur de recherche en matériaux au National Institute of Standards and Technology; Xiao Qin Li, qui a reçu un doctorat. en génie civil et environnemental en 2008; Christophe Kiely, professeur de science et ingénierie des matériaux; et Wei-xian Zhang, professeur de génie civil et environnemental.

Les nanoparticules, qui ont été inventés par Zhang, en moyenne 50 nanomètres de diamètre (1 nm équivaut à un milliardième de mètre). Les îlots de palladium sur la surface extérieure du fer mesurent de 2 à 5 nm de diamètre. Les particules ont éliminé les pesticides, chlorure de vinyle, TCE et autres contaminants dans 10 États, en Europe et en Asie. Les sites traités comprennent les décharges, une usine de fabrication d'électronique, usines chimiques et installations militaires.

Lorsqu'il est injecté dans les eaux souterraines, les nanoparticules s'écoulent avec l'eau et réagissent avec et détoxifient les contaminants. Leur petite taille et leur plus grande surface proportionnelle leur confèrent une plus grande réactivité avec les toxines que de plus grandes quantités du même catalyseur.

Cette réactivité supérieure, dit Harch Gill, président de Lehigh Nanotech LLC, une société de Bethléem qui détient les droits commerciaux des particules, permet aux particules de dépolluer un site toxique en moins d'un an, par rapport aux 10 à 20 ans requis par les méthodes de pompage et de traitement.

Et selon l'Association des directeurs technologiques universitaires, qui a nommé Lehigh Nanotech l'une des 25 meilleures histoires de collaboration technologique en 2008, "il ne faut que six onces des minuscules nanomatériaux, contre une tonne de composés plus gros, pour apporter des changements radicaux dans le nettoyage des environnements contaminés.

Par conséquent, dit Zhang, les nanoparticules sont aujourd'hui l'un des nanomatériaux les plus utilisés au monde.

Une nouvelle orientation

Yan, qui étudie les nanoparticules depuis 2007, affirme que les résultats expérimentaux aideront les chercheurs à développer de meilleures méthodes de manipulation et de stockage des particules, et de collecter et de réutiliser le palladium après avoir neutralisé les contaminants. Palladium, utilisé dans les pots catalytiques, appareils électroniques et piles à combustible, est un métal rare et souvent cher.

Les résultats peuvent également être utilisés pour améliorer la capacité des nanoparticules à base de fer à capturer et à éliminer les toxines de métaux lourds des sites contaminés, dit Yan.

« Ce document n'est qu'un point de départ, " elle dit. « En utilisant la même suite d'outils, nous pouvons étudier les espèces métalliques et nZVI pour apprendre comment les métaux lourds sont capturés par nZVI, où ils interagissent et où la destination finale des métaux lourds est à l'intérieur du nZVI.

Les recherches du groupe, dit Yan, a été rendu possible par le fait que Lehigh possède le plus grand laboratoire de microscopie électronique aux États-Unis. Le STEM à correction d'aberration utilisé par l'équipe de Yan résout les images à 0,1 nm tout en identifiant la composition chimique dans ce minuscule "pixel" d'un spécimen. Combiné avec XEDS, il a permis aux chercheurs de cartographier la surface et l'intérieur de la nanoparticule de fer, localiser les îles de palladium, et suivre l'infiltration du palladium à l'intérieur des particules. Le groupe a également utilisé la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) pour examiner les changements dans les propriétés chimiques des nanoparticules.

Les instruments ont permis au groupe d'avoir une approche originale de ses recherches, dit Yan.

"La façon traditionnelle de faire de la recherche environnementale est d'examiner les contaminants dans l'eau pour s'assurer qu'ils sont éliminés, " elle a dit. "Nous adoptons une approche différente en regardant à l'intérieur de l'agent de traitement pour voir ce qui lui arrive et comment la remédiation se déroule réellement."

Yan fera une présentation sur les recherches du groupe à la division Environmental Chemical de l'American Chemical Society lors de la conférence annuelle de l'ACS en août à Boston.