(PhysOrg.com) -- En trempant un chiffon de coton uni dans un bouillon high-tech rempli de nanofils d'argent et de nanotubes de carbone, Les chercheurs de Stanford ont développé un nouveau système à grande vitesse, filtre à faible coût qui pourrait facilement être mis en œuvre pour purifier l'eau dans le monde en développement.

Au lieu de piéger physiquement les bactéries comme le font la plupart des filtres existants, le nouveau filtre leur permet de s'écouler avec l'eau. Mais au moment où les agents pathogènes sont passés, ils sont également décédés, parce que l'appareil les tue avec un champ électrique qui traverse le coton "nano-enduit" hautement conducteur.

Dans les tests en laboratoire, plus de 98 pour cent des bactéries Escherichia coli qui ont été exposées à 20 volts d'électricité dans le filtre pendant plusieurs secondes ont été tuées. Plusieurs couches de tissu ont été utilisées pour fabriquer le filtre de 2,5 pouces d'épaisseur.

« Cela fournit vraiment une nouvelle méthode de traitement de l'eau pour tuer les agents pathogènes, " dit Yi Cui, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux. "Il peut facilement être utilisé dans des zones reculées où les gens n'ont pas accès à des traitements chimiques tels que le chlore."

Choléra, la typhoïde et l'hépatite font partie des maladies d'origine hydrique qui constituent un problème persistant dans les pays en développement. Cui a déclaré que le nouveau filtre pourrait être utilisé dans les systèmes de purification d'eau des villes aux petits villages.

Filtration plus rapide en laissant passer les bactéries

Les filtres qui piègent physiquement les bactéries doivent avoir des pores suffisamment petits pour empêcher les agents pathogènes de passer à travers, mais cela limite le débit des filtres.

Étant donné que le nouveau filtre ne piège pas les bactéries, il peut avoir des pores beaucoup plus gros, permettant à l'eau de passer à un rythme plus rapide.

"Notre filtre est d'environ 80, 000 fois plus rapide que les filtres qui piègent les bactéries, " a déclaré Cui. Il est l'auteur principal d'un article décrivant la recherche qui sera publié dans un prochain numéro de Lettres nano . Le document est disponible en ligne dès maintenant.

Les espaces poreux plus grands du filtre de Cui l'empêchent également de se boucher, ce qui est un problème avec les filtres qui retirent physiquement les bactéries de l'eau.

Le groupe de recherche de Cui a fait équipe avec celui de Sarah Heilshorn, professeur assistant en science et ingénierie des matériaux, dont le groupe a apporté son expertise en bio-ingénierie à la conception des filtres.

L'argent est connu depuis longtemps pour avoir des propriétés chimiques qui tuent les bactéries. « Dans les jours précédant la pasteurisation et la réfrigération, les gens jetaient parfois des dollars en argent dans des bouteilles de lait pour lutter contre les bactéries, ou même l'avaler, ", a déclaré Heilshorn.

Le groupe de Cui savait par des projets précédents que les nanotubes de carbone étaient de bons conducteurs électriques, les chercheurs ont donc pensé que les deux matériaux de concert seraient efficaces contre les bactéries. "Cette approche fait vraiment sortir l'argent du domaine des remèdes populaires et le place dans un cadre de haute technologie, où c'est beaucoup plus efficace, " a déclaré Heilshorn.

Utiliser le banal réduit les coûts

Mais les scientifiques voulaient également concevoir des filtres aussi peu coûteux que possible. La quantité d'argent utilisée pour les nanofils était si petite que le coût était négligeable, dit Cui. Toujours, ils avaient besoin d'un matériau de base « bon marché, largement disponibles et chimiquement et mécaniquement robustes. » Ils ont donc opté pour un tissu de coton tissé ordinaire.

"Nous l'avons eu chez Wal-Mart, " dit Cui.

Pour transformer leur coton discount en filtre, ils l'ont plongé dans une solution de nanotubes de carbone, Laissez-le sécher, puis l'a plongé dans la solution de nanofils d'argent. Ils ont également essayé de mélanger les deux nanomatériaux et de faire un seul dunk, qui fonctionnait aussi. Ils laissent tremper le coton pendant au moins quelques minutes, parfois jusqu'à 20, mais c'était tout ce qu'il fallait.

Le gros avantage des nanomatériaux est que leur petite taille leur permet de coller plus facilement au coton, dit Cui. Les nanofils vont de 40 à 100 milliardièmes de mètre de diamètre et jusqu'à 10 millionièmes de mètre de longueur. Les nanotubes ne mesuraient que quelques millionièmes de mètre de long et étaient aussi étroits qu'un seul milliardième de mètre. Parce que les nanomatériaux collent si bien, les nanotubes créent une douceur, surface continue sur les fibres de coton. Les nanofils plus longs ont généralement une extrémité attachée aux nanotubes et l'autre extrémité se ramifiant, piquer dans l'espace vide entre les fibres de coton.

"Avec une structure continue sur toute la longueur, vous pouvez déplacer les électrons très efficacement et rendre vraiment le filtre très conducteur, " dit-il. " Cela signifie que le filtre nécessite moins de tension. "

Électricité minimale requise

Le courant électrique qui aide à tuer n'est que de quelques milliampères - à peine assez pour provoquer une sensation de picotement chez une personne et facilement fourni par un petit panneau solaire ou quelques batteries de voiture de 12 volts. Le courant électrique peut également être généré à partir d'un vélo stationnaire ou par un dispositif à manivelle.

Le faible besoin en électricité du nouveau filtre est un autre avantage par rapport à ceux qui filtrent physiquement les bactéries, qui utilisent des pompes électriques pour forcer l'eau à travers leurs minuscules pores. Ces pompes nécessitent beaucoup d'électricité pour fonctionner, dit Cui.

Dans certains des tests de laboratoire du nano-filtre, l'électricité nécessaire pour faire passer le courant à travers le filtre n'était qu'un cinquième de ce qu'une pompe de filtration aurait besoin pour filtrer une quantité d'eau comparable.

Les pores du nanofiltre sont suffisamment grands pour qu'aucun pompage ne soit nécessaire - la force de gravité est suffisante pour faire passer l'eau à toute vitesse.

Bien que le nouveau filtre soit conçu pour laisser passer les bactéries, un avantage supplémentaire de l'utilisation du nanofil d'argent est que si des bactéries s'attardaient, l'argent le tuerait probablement. Cela évite le biofouling, dans lequel les bactéries forment un film sur un filtre. L'encrassement biologique est un problème courant dans les filtres qui utilisent de petits pores pour filtrer les bactéries.

Cui a déclaré que l'électricité passant à travers le filtre conducteur peut également modifier le pH de l'eau près de la surface du filtre, ce qui pourrait ajouter à sa létalité envers les bactéries.

Cui a déclaré que les prochaines étapes de la recherche consistent à essayer le filtre sur différents types de bactéries et à effectuer des tests en utilisant plusieurs filtres successifs.

"Avec un filtre, nous pouvons tuer 98 pour cent des bactéries, " dit Cui. " Pour l'eau potable, vous ne voulez pas de bactéries vivantes dans l'eau, nous devrons donc utiliser plusieurs étapes de filtrage."

Le groupe de recherche de Cui a récemment attiré l'attention sur l'utilisation de nanomatériaux pour fabriquer des batteries à partir de papier et de tissu.