Ученые MIT создали материал, фильтрующий «вечные химикаты»
Материал для мембран на основе натурального шелка и целлюлозы, способный удалять многие загрязняющие вещества, включая «вечные химикаты» — ПФАС, а также тяжелые металлы, создали специалисты Массачусетского технологического института (MIT), 6 сентября сообщает пресс-служба института.
Загрязнение воды химикатами, используемыми в современных технологиях, является быстро растущей проблемой во всем мире. Исследования показали в крови людей наличие ПФАС (полифторалкильные соединения), называемых «вечными химикатами» за очень длительный срок их разложения в природных условиях, который составляет сотни и даже тысячи лет.
При этом химикаты ПФАС присутствуют в очень широком спектре продуктов, включая косметику, упаковку для пищевых продуктов, водостойкую одежду, пены для пожаротушения и антипригарное покрытие для посуды.
Новый фильтрующий материал, разработанный командой исследователей MIT, может стать экологичным решением этой проблемы. Материал на основе натурального шелка и целлюлозы может удалять широкий спектр этих стойких химикатов и тяжелые металлы. Кроме того, наличие у него антимикробных свойств поможет предотвратить биологическое загрязнение фильтров.
Поскольку загрязнения ПФАС и подобными соединениями, как показали исследования, угрожают здоровью людей, а существующие решения лишь частично решают эту проблему и довольно дороги, химики с кафедры гражданского строительства и охраны окружающей среды MIT разработали новое, «полностью природное решение на основе белка и целлюлозы», рассказал первый автор исследования Илинь Чжан.
«Мы пришли к проекту случайно», — отметил руководитель исследования профессор кафедры гражданского строительства и охраны окружающей среды Бенедетто Марелли. Первоначальная технология, которая сделала возможным создание фильтрующего материала, была разработана его группой для совершенно другой цели — как способ создания системы маркировки для противодействия распространению поддельных семян.
Его команда разработала способ переработки белков натурального шелка в однородные наноразмерные кристаллы — «нанофибриллы», а Чжан предположил, что этот их нанофибриллярный материал может эффективно применяться для фильтрации загрязняющих веществ.
Однако использование для этой цели только шелковых нанофибрилл результатов не дало. Тогда команда решила попробовать добавить целлюлозу, широко доступный материал, который может быть получен, например, из отходов производства бумаги.
Исследователи применили метод самосборки, при котором белок шелковых фибрилл суспендируется (приводится во взвешенное состояние) в воде, а затем перестраивается в нанофибриллы путем вставки «зародышей» нанокристаллов целлюлозы. Это заставляет ранее неупорядоченные молекулы белка шелка выстраиваться вместе вдоль этих зародышей, формируя основу гибридного материала с новыми свойствами.
Из интегрированных в целлюлозу фибрилл шелка ученые сформировали тонкую мембрану, а затем, настроив электрический заряд целлюлозы, создали материал, который в лабораторных испытаниях показал высокую эффективность при удалении загрязнений.
Исследователи установили, что электрический заряд целлюлозы придает ей также сильные антимикробные свойства, которые являются существенным преимуществом, поскольку одной из основных причин выхода из строя фильтрационных мембран является их загрязнение бактериями и грибками.
«Эти материалы действительно могут конкурировать с текущими стандартными материалами в фильтрации воды, когда дело доходит до извлечения ионов металлов и этих новых загрязняющих веществ, и они даже могут превзойти некоторые из них», — указал Марелли.
Лабораторные испытания материала показали, что фильтры из него смогли извлечь на порядки больше загрязняющих веществ из воды, чем используемые в настоящее время стандартные материалы, такие как активированный уголь или гранулированный активированный уголь.
Результаты исследования ученые представили в статье «Направленная сборка белково-полисахаридных нанофибрилл для изготовления мембран для устранения возникающих загрязнений», опубликованной журнале ACS Nano.
Марелли сообщил, что это исследование доказало возможность применения нового материала, но команда намерена продолжить работу над его улучшением, особенно с точки зрения его долговечности и доступности исходных материалов.
Несмотря на то, что протеины шелка являются побочным продуктом шелковой текстильной промышленности, нет гарантий, что его поставки смогут удовлетворить глобальные потребности в фильтрации воды. Тем более что альтернативные протеиновые материалы могут оказаться способными выполнять ту же функцию по более низкой цене.
«Большинство обычных материалов, доступных сегодня, фокусируются на одном классе загрязняющих веществ или решают одну проблему, — отметил Чжан. — Я думаю, мы одни из первых, кто решает всё это одновременно».
