Nanotechnologia

Wprowadzenie drobinek rdzy do wody zazwyczaj prowadzi do jej zanieczyszczenia. Jednak naukowcy opracowali innowacyjne nanocząsteczki tlenku żelaza, nazwane „inteligentną rdzą”, które mają zdolność oczyszczania wody. Te inteligentne nanocząsteczki mają zdolność przyciągania wielu różnych substancji, między innymi oleju oraz nano- i mikroplastików.

Co istotne, ze względu na swoje właściwości magnetyczne, omawiane nanocząsteczki można z łatwością usunąć z wody przy użyciu magnesu, jednocześnie usuwając zanieczyszczenia. Najnowsze osiągnięcie zespołu badawczego polega na zmodyfikowaniu nanocząsteczek tlenku żelaza w taki sposób, że potrafią one wyłapywać hormony estrogenowe, które są potencjalnie szkodliwe dla organizmów wodnych. Technologia ta może znacząco przyczynić się do poprawy jakości wód i ochrony ekosystemów wodnych.

Dr Marcus Halik, główny naukowiec projektu i pracownik Uniwersytetu Fryderyka Aleksandra w Erlangen i Norymberdze, podkreśla, że ich technologia „inteligentnej rdzy” jest tania, nietoksyczna i nadająca się do recyklingu. Jego zespół badawczy od wielu lat zajmuje się badaniem alternatywnych metod oczyszczania wody, skupiając się przede wszystkim nad wykorzystaniem nanocząstek tlenku żelaza o charakterze superparamagnetycznym. Superparamagnetyki to cząstki, które są przyciągane do magnesów, ale nie do siebie nawzajem, co zapobiega ich sklejaniu się.

Aby uczynić je „inteligentnymi”, zespół dr Halika opracował technikę przyłączania cząsteczek kwasu fosfonowego do kulistych nanocząstek. Po nałożeniu warstwy kwasu fosfonowego na rdzeń tlenku żelaza przypominają one włosy wystające z powierzchni kulistych nanocząstek. Następnie, zmieniając to, co jest związane z drugą stroną kwasów fosfonowych, naukowcy są w stanie modyfikować właściwości powierzchniowe, aby rdza mogła silnie adsorbować różne rodzaje zanieczyszczeń.

Wcześniejsze wersje „inteligentnej rdzy” były w stanie wyłapywać ropę naftową z próbek wody pobranych z Morza Śródziemnego oraz gilfosat z próbek wody ze stawu w pobliżu uniwersytetu badawczego. Ponadto, naukowcy udowodnili, że „inteligentna rdza” może usuwać nano- i mikroplastiki dodane do próbek wody laboratoryjnej i rzecznej.

Dotychczas zespół skupiał się na usuwaniu zanieczyszczeń wystepujących głównie w dużych ilościach. Lukas Müller, doktorant, chciał zbadać, czy „inteligentną rdzę” da się zoptymalizować tak, aby wychwytywała śladowe ilości zanieczyszczeń, takich jak hormony. Gdy niektóre z hormonów naszego organizmu zostają wydalane, spłukiwane są do systemu kanalizacyjnego i w ostateczności trafiają do wód środowiskowych. Przykładem takich hormonów są naturalne i syntetyczne estrogeny, a głównym źródłem ich obecności w wodzie są odpady pochodzące od ludzi i zwierząt hodowlanych. Müller zauważył, że ilości estrogenów w środowisku są bardzo niskie, co sprawia, że ich eliminacja jest trudna. Jednakże, nawet niewielkie poziomy tych hormonów wpływają na metabolizm i reprodukcję niektórych roślin i zwierząt.

Müller rozpoczął badania od najpopularniejszego hormonu z grupy estrogenów, estradiolu, a następnie czterech innych pochodnych o podobnych strukturach molekularnych. Cząsteczki estrogenu posiadają skomplikowane struktury steroidowe oraz części z niewielkimi ładunkami ujemnymi. Aby wykorzystać obie te cechy, Müller pokrył nanocząsteczki tlenku żelaza dwoma rodzajami związków: jednym o długiej strukturze i drugim o ładunku dodatnim. Oba te rodzaje cząsteczek zorganizowały się na powierzchni nanocząstek, dzięki czemu postawiono hipotezę, że razem tworzą wiele „kieszeni”, które zdolne są przyciągać estradiol i zatrzymywać go w miejscu.

Z uwagi na niewidoczność tych „kieszeni” gołym okiem, Müller wykorzystał zaawansowane technologicznie narzędzia, aby zweryfikować ich istnienie. Wstępne wyniki wskazują na skuteczną ekstrakcję hormonów z próbek laboratoryjnych, jednak konieczne są dalsze badania z wykorzystaniem spektroskopii jądrowego rezonansu magnetycznego w stanie stałym i rozproszenia neutronów pod małym kątem w celu weryfikacji postawionej hipotezy.

W przyszłości zespół planuje kontynuować badania nad wychwytywaniem estrogenów z rzeczywistych próbek wody i określić możliwość ponownego wykorzystania „inteligentnej rdzy”. Ponieważ każda nanocząsteczka tlenku żelaza ma dużą powierzchnię z wieloma kieszeniami, naukowcy zakładają, że będą w stanie usuwać estrogeny z wielu próbek wody, zmniejszając tym samym koszty procesu. Dotychczasowe wyniki prac zostały zaprezentowane na spotkaniu American Chemical Society podczas ACS Fall 2023.

Zapraszamy także do obejrzenia filmiku uzupełniającego: https://youtu.be/R3l28NOLzSU

Naukowcy dziękują za wsparcie i finansowanie ze strony Niemieckiej Fundacji Badawczej, Niemieckiej Federalnej Fundacji Środowisko oraz Uniwersytetu Fryderyka Aleksandra w Erlangen i Norymberdze.

Źródło:

https://www.sciencedaily.com/releases/2023/08/230816114201.htm