Ce dispositif nanostructuré, environ la moitié de la taille d'un timbre-poste, utilise la lumière du soleil pour désinfecter rapidement l'eau. Il se compose de fines lamelles de bisulfure de molybdène disposées comme des murs sur une surface de verre et surmontées d'une fine couche de cuivre. La lumière tombant sur les murs déclenche la formation de peroxyde d'hydrogène (H2O2) et d'autres "espèces réactives de l'oxygène" qui tuent les bactéries. Crédit :C. Liu et al., Nature Nanotechnologie
Dans de nombreuses régions du monde, la seule façon de rendre l'eau germée sûre est de la faire bouillir, qui consomme du carburant précieux, ou en le mettant au soleil dans une bouteille en plastique pour que les rayons ultraviolets tuent les microbes. Mais parce que les rayons UV ne transportent que 4 pour cent de l'énergie totale du soleil, la méthode UV prend de six à 48 heures, limiter la quantité d'eau que les gens peuvent désinfecter de cette façon.
Aujourd'hui, des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie et de l'Université de Stanford ont créé un dispositif nanostructuré, environ la moitié de la taille d'un timbre-poste, qui désinfecte l'eau beaucoup plus rapidement que la méthode UV en utilisant également la partie visible du spectre solaire, qui contient 50 pour cent de l'énergie du soleil.
Dans les expériences rapportées aujourd'hui dans Nature Nanotechnologie , la lumière du soleil tombant sur le petit appareil a déclenché la formation de peroxyde d'hydrogène et d'autres produits chimiques désinfectants qui ont tué plus de 99,999% des bactéries en seulement 20 minutes. Une fois leur travail terminé, les produits chimiques tueurs se sont rapidement dissipés, laissant de l'eau pure derrière.
"Notre appareil ressemble à un petit rectangle de verre noir. On vient de le faire tomber dans l'eau et de tout mettre au soleil, et le soleil a fait tout le travail, " dit Chong Liu, auteur principal du rapport. Elle est chercheuse postdoctorale dans le laboratoire de Yi Cui, professeur agrégé SLAC/Stanford et chercheur au SIMES, l'Institut de Stanford pour les sciences des matériaux et de l'énergie au SLAC.
Parois de nanoflocons et électrons avides
Au microscope électronique, la surface de l'appareil ressemble à une empreinte digitale, avec de nombreuses lignes rapprochées. Ces lignes sont des films très minces - les chercheurs les appellent "nanoflakes" - de bisulfure de molybdène qui sont empilés sur les bords, comme les murs d'un labyrinthe, au sommet d'un rectangle de verre.
Une micrographie électronique montre le motif des parois nanostructurées à la surface de l'appareil. Jeté dans un échantillon d'eau contaminée et placé au soleil, il a tué plus de 99,999% des bactéries en seulement 20 minutes. Crédit :C. Liu et al., Nature Nanotechnologie
Dans la vie ordinaire, le bisulfure de molybdène est un lubrifiant industriel. Mais comme de nombreux matériaux, il prend des propriétés entièrement différentes lorsqu'il est fabriqué en couches de quelques atomes d'épaisseur seulement. Dans ce cas, il devient un photocatalyseur :lorsqu'il est touché par la lumière entrante, beaucoup de ses électrons quittent leur place habituelle, et les électrons et les "trous" qu'ils laissent derrière eux sont impatients de prendre part aux réactions chimiques.
En fabriquant leurs parois en bisulfure de molybdène dans la bonne épaisseur, les scientifiques leur ont fait absorber toute la gamme de la lumière solaire visible. Et en recouvrant chaque petit mur d'une fine couche de cuivre, qui agit également comme catalyseur, ils ont pu utiliser cette lumière du soleil pour déclencher exactement les réactions qu'ils voulaient - des réactions qui produisent des "espèces réactives de l'oxygène" comme le peroxyde d'hydrogène, un désinfectant couramment utilisé, qui tuent les bactéries dans l'eau environnante.
Le bisulfure de molybdène est bon marché et facile à fabriquer - une considération importante lors de la fabrication de dispositifs pour une utilisation généralisée dans les pays en développement, dit Cui. Il absorbe également une gamme beaucoup plus large de longueurs d'onde solaires que les photocatalyseurs traditionnels.
Résoudre les problèmes de pollution
La méthode n'est pas une panacée; par exemple, il n'élimine pas les polluants chimiques de l'eau. Jusqu'à présent, il n'a été testé que sur trois souches de bactéries, bien qu'il n'y ait aucune raison de penser qu'il ne tuerait pas d'autres souches bactériennes et d'autres types de microbes, tels que les virus. Et il n'a été testé que sur des bactéries mélangées à de l'eau en laboratoire, pas sur les ragoûts complexes de contaminants trouvés dans le monde réel.
Toujours, « C'est très excitant de voir qu'en concevant simplement un matériau, vous pouvez obtenir de bonnes performances. Cela fonctionne vraiment, " dit Liu, qui a continué à travailler sur un projet dans le laboratoire de Cui qui développe des filtres à air pour lutter contre le smog. "Notre intention est de résoudre les problèmes de pollution environnementale afin que les gens puissent vivre mieux."
