Дезинфекция (удаление вирусов, бактерий и других болезнетворных микроорганизмов) – один из важнейших этапов очистки воды, и не только питьевой или используемой для бытовых нужд. Накапливание различных форм бактерий в системах водоснабжения вызывает биологическое обрастание очистных фильтров и другого оборудования. Конечно, существуют как химические, так и физические методы обеззараживания, но, как правило, они или энергоёмкие, или же очистка с их помощью проводится очень долго. Учёные из Stanford Univ. (США) разработали совершенно новый подход к созданию недорогой и быстродействующей системы [1]. Как и для удаления из воды других типов загрязнений (см. ПерсТ [2]) помогли наноструктуры. В трёхуровневой (по размерам волокон) системе использовали хлопок, нанопроволочки серебра (AgNW) и углеродные нанотрубки (УНТ) (рис. 1)

Хлопок, волокнистый материал с порами от десятков до сотен мкм, служит основой фильтра. Он дешёвый, доступный, химически стойкий и достаточно прочный, что важно для практического применения. Бактерии свободно проходят через его крупные поры, и нет опасности закупоривания, как во многих мембранных фильтрах. Второй материал – нанопроволочки Ag диаметром 40-100 нм и длиной до 10 мкм. То, что авторы [1] использовали серебро, понятно, ведь оно известно своей бактерицидной активностью. Но почему не наночастицы? Для предложенного устройства важно то, что нанопроволочки способны образовать многочисленные сцепления с волокнами хлопка. И, наконец, третий материал, УНТ, обеспечивает хорошую электропроводность всей рабочей зоны устройства, благодаря чему оно может функционировать как пористый электрод в растворе. Это тоже существенно: недавно был обнаружен рост антибактериальной активности наносеребра в электрическом поле [3], и исследователи в своей системе очистки используют этот эффект. Схема устройства приведена на рис. 2. Хлопковую основу "пропитывают” нанотрубками (погружая в раствор УНТ), затем с помощью обычной пипетки добавляют раствор AgNW в метаноле (рис. 3).

Получается механически прочный материал, который можно помещать в системы фильтрования. Для своих экспериментов авторы использовали обычную стеклянную воронку. Вода, содержащая бактерии Escherichia coli, подавалась самотёком со скоростью 1 л/ч, или 80 000 л/(ч·м²), если нормировать на размеры фильтра (диаметр 4 мм, длина 2.5 см). Концентрация бактерий в растворе – 10⁷/мл. В воде может быть обнаружено множество разных бактерий и вирусов, но на практике невозможно проводить все специфические тесты, поэтому в качестве индикатора загрязнённости обычно используют бактерии кишечной палочки E. coli.

Эффективность работы устройства проверяли в диапазоне напряжений от -20 до +20 В. Для сравнения использовали контрольный фильтр из хлопка и УНТ, но без AgNW. Как видно на рис. 4, при +20 В фильтр с AgNW дезактивирует 77% бактерий, при -20 В – 89% (причём эффективность можно повысить до 98%, если использовать 3 фильтра последовательно). Контрольный фильтр работает существенно хуже. При 0 В оба фильтра не эффективны.

Бактерии гибнут чрезвычайно быстро, ведь раствор проходит через фильтр всего за секунду! Однако пока трудно сказать, какие процессы являются определяющими в дезактивации. Понятно, что важную роль играет серебро. Но почему эффект так усиливается в электрическом поле? Моделирование электрохимических процессов, проведённое авторами [1], показало, что напряженность электрического поля на кончиках AgNW достигает 1000 кВ/см! При таких величинах вполне возможна электропорация*. Не исключено, что на бактерии воздействует и резкое уменьшение рН (как показывают расчёты [1], около поверхности нанопроволочек рН=3, тогда как экспериментальная величина рН раствора после фильтрации не меняется). Многое здесь ещё предстоит выяснить. И, конечно, авторов работы волнует возможное воздействие наноматериалов на здоровье. Хотя маловероятно, что в условиях их эксперимента нанотрубки и нанопроволочки попадают в очищенную воду, необходимые исследования будут проведены.

Новый подход, по мнению авторов, позволит существенно снизить затраты на фильтрационное оборудование для обеззараживания воды, а, возможно, и воздуха, и продуктов питания, и лекарственных средств.

Работа интересна ещё и тем, что использование необычной основы для наноматериалов – хлопка – позволяет перейти от тонкоплёночных устройств к объёмным и таким образом расширить возможности нанотехнологий.

О.Алексеева

1. D.T.Schoen et al., Nano Lett. 10,3628 (2010).

2. ПерсТ 17, вып. 10, с. 5 (2010).

3. O.Akhavan, E.Ghaderi, Sci.Technol. Adv. Mater. 10, 015003 (2009).