Cette image montre un mort E. coli bactérie (en forme de bâtonnet au centre) collectée dans un filtre après traitement avec le nouveau nanoscavenger de Stanford. Crédit :Mingliang Zhang, École d'ingénierie de Stanford.
(Phys.org) —Parmi ses nombreux talents, l'argent est un antibiotique. Le dioxyde de titane est connu pour se concentrer sur certains métaux lourds et polluants. Pourtant, d'autres matériaux font de même pour le sel. Dans les années récentes, les ingénieurs environnementaux ont cherché à désinfecter, dépolluer, et dessaler l'eau contaminée à l'aide de particules nanométriques de ces matières actives. Les ingénieurs les appellent nanoscavengers. Le problème d'un point de vue technique est qu'il est presque impossible de récupérer les nanoscavengers une fois dans l'eau.
Dans un article publié en ligne le 14 mai dans la revue Communication Nature , une équipe interdisciplinaire d'ingénieurs de l'Université de Stanford a annoncé avoir développé un nouveau type de nanoscavengeur avec un noyau synthétique ultraréactif au magnétisme, permettant la récupération facile et efficace de pratiquement chacun des purificateurs nanométriques.
« Dans l'eau contaminée, les nanoscavengers flottent, heurter et tuer au hasard des bactéries ou s'attacher aux divers polluants moléculaires qu'elles recherchent, " a déclaré Shan Wang, l'auteur principal de l'étude et un professeur de science et d'ingénierie des matériaux et conjointement d'ingénierie électrique à Stanford. "Puis, lorsque les contaminants sont soit collés au nanoscavenger, soit morts, l'aimant est allumé et les particules disparaissent."
Ultraréactif au magnétisme
L'utilisation du magnétisme pour récupérer des nanoscavengers n'est pas nouvelle. Il existe aujourd'hui des technologies commerciales qui ont façonné des nanoscavengers avec un noyau d'oxyde de fer magnétique entouré d'un matériau actif, mais ces méthodes ingénieuses sont loin d'être parfaites. L'oxyde de fer n'est pas absolument sensible au magnétisme et trop de nanocapteurs restent dans l'eau pour qu'il soit considéré comme sans danger pour l'homme.
L'avancée de Stanford remplace l'oxyde de fer par un matériau synthétique. Le noyau de Stanford est, en réalité, pas un seul matériau, mais un disque de plusieurs couches. Les couches extérieures magnétiques du matériau synthétique sont prises en sandwich de chaque côté d'un centre en titane, mais avec une torsion.
Cette image montre les nanocapteurs synthétiques en forme de disque collectés magnétiquement. Crédit :Mingliang Zhang, École d'ingénierie de Stanford.
"Les moments magnétiques des deux couches externes sont opposés. C'est-à-dire, la direction de la force magnétique dans la couche supérieure et la couche inférieure sont dirigées dans des directions opposées, annuler efficacement les propriétés magnétiques du matériau, " dit Mingliang Zhang, un doctorant en science et ingénierie des matériaux et co-premier auteur de l'étude.
C'est-à-dire, dans leur état naturel, les nouveaux nanoscavengers ne sont pas magnétiques. Ils ne seraient pas attirés par un autre matériau magnétique, par exemple. Lorsque les disques composites sont exposés à un champ magnétique puissant, cependant, le magnétisme des deux champs opposés se transforme en alignement, aggravant l'effet magnétique.
Tests côte à côte
Ce faisant, les nanoscavengers deviennent ultrasensibles au magnétisme, bien plus que l'oxyde de fer de base utilisé dans les technologies d'aujourd'hui. L'équipe de Stanford a baptisé leur avancée du nom oxymorique de "noyaux antiferromagnétiques synthétiques". Le préfixe anti- signifie dans ce cas en sens inverse, non amagnétique.
Avec un noyau réussi créé, les chercheurs recouvrent ensuite le tout avec du dioxyde d'argent ou de titane ou un autre matériau réactif en fonction du contaminant qu'ils ciblent. Dans des tests en direct utilisant des nanocapteurs à capuchon d'argent immergés dans de l'eau teintée de E. coli bactéries - avec une dose d'argent de seulement 17 parties par million - l'équipe de Stanford a réussi à tuer 99,9 % des bactéries en seulement 20 minutes. Mieux encore, ils ont supprimé pratiquement tous les nanocapteurs en seulement cinq minutes d'exposition à un aimant permanent.
Des tests côte à côte de l'efficacité du même aimant sur des nanocapteurs à noyau d'oxyde de fer montrent une collecte rapide d'environ 20 % des nanocapteurs dans les mêmes cinq minutes, mais ensuite l'effet se stabilise. À la 20e minute, près de huit nanocapteurs à noyau d'oxyde de fer sur dix restent toujours dans l'eau.
La solution unique
Après avoir démontré un prototype fonctionnel, l'équipe construit maintenant diverses itérations de leurs nanocapteurs avec différents extérieurs réactifs pour cibler des polluants spécifiques, ainsi qu'une nouvelle classe de nanocapteurs légèrement plus gros qui pourraient porter des bandes discrètes de plusieurs réactifs différents.
"Notre espoir est de créer un jour une" solution unique " qui s'attaque à l'eau affectée par un mélange diversifié de contaminants. Ce serait une technologie clé pour les pays en développement et arides où la qualité et la quantité de l'eau sont d'une importance critique, " a ajouté Xing Xie, doctorant en génie civil et environnemental et co-premier auteur de l'article.
