على الأقل ملياران من السكان حول العالم يشربون بانتظام مياهًا ملوثة بالميكروبات التي تسبب الأمراض. ولذلك تعد مشكلة تنقية المياة معضلة قديمة متجددة باستمرار نظرا لتزايد عدد الناس الذين يحتاجون ماء للشرب. تركز معظم الابحاث على ايجاد طرق عملية سريعة وذات تكلفة منخفضة يمكن للبلدان في الدول النامية تحملها.
اخترع علماء جامعة ستانفورد مسحوقًا قابلاً لإعادة التدوير ومنخفض التكلفة يقضي على آلاف البكتيريا المنقولة عبر المياه في الثانية عند تعرضه لأشعة الشمس العادية. يمكن أن يكون اكتشاف هذا المطهر فائق السرعة تقدمًا هامًا لنحو 30٪ من سكان العالم الذين لا يملكون وصولًا للمياه الصالحة للشرب، وفقًا لفريق ستانفورد. تم نشر نتائجهم في مجلة "نيتشر ووتر" في 18 مايو.
قال تونغ وو، المؤلف المشارك للدراسة وزميل سابق في العلوم والهندسة الموادية في كلية ستانفورد للهندسة: "الأمراض المنقولة عبر المياه تتسبب في مقتل مليوني شخص سنويًا، معظمهم من الأطفال دون سن الخامسة". "نعتقد أن تكنولوجيتنا الجديدة ستسهل التغييرات الثورية في تعقيم المياه وستلهم المزيد من الابتكارات في هذا المجال المشترك المثير".
تشمل التقنيات التقليدية لمعالجة المياه المواد الكيميائية، التي يمكن أن تنتج منتجات جانبية سامة، والأشعة فوق البنفسجية، التي تستغرق وقتًا طويلاً نسبيًا للتعقيم وتتطلب مصدرًا للكهرباء.
المطهر الجديد المطور في جامعة ستانفورد هو مسحوق معدني غير ضار يعمل عن طريق امتصاص الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي عالي الطاقة من الشمس. يتكون المسحوق من شرائح صغيرة الحجم من أكسيد الألومنيوم وكبريتيد الموليبدينوم والنحاس وأكسيد الحديد.
قال الكاتب الرئيسي يي تسوي، الأستاذ المؤسس في الهندسة المادية وعلوم الطاقة والهندسة في مدرسة ستانفورد دوير للاستدامة: "استخدمنا كمية صغيرة جدًا من هذه المواد"، "المواد ذات تكلفة منخفضة ووفيرة إلى حد ما. والابتكار الرئيسي هو أنه عندما يُغمر في الماء، فإنها تعمل جميعها معًا".
بعد امتصاص الفوتونات من الشمس، يعمل محفز كبريتيد الموليبدينوم/النحاس كاتود شبه موصل/فلز، مما يمكّن الفوتونات من إطلاق الكترونات. تتفاعل الكترونات الحرة بعد ذلك مع الماء المحيط، مولدة بيروكسيد الهيدروجين والجذور الهيدروكسيل - واحدة من أكثر أشكال الأكسجين تدميرًا للكائنات الحية. تقتل المواد الكيميائية الجديدة التي تكونت بسرعة البكتيريا من خلال تلف أغشية خلاياها بشكل كبير.
لإجراء الدراسة، استخدم فريق ستانفورد بيكرًا بحجم 200 مل [6.8 أونصة] من الماء ذو درجة حرارة الغرفة الملوث بحوالي 1 مليون بكتيريا إي.كولاي لكل مليلتر [0.03 أونصة].
"قمنا بخلط المسحوق في الماء الملوث"، قال المؤلف المشارك بوفي ليو، الباحث السابق في علوم وهندسة المواد. "ثم أجرينا اختبار التعقيم في حقيقة الضوء الشمسي على حرم جامعة ستانفورد، وفي غضون 60 ثانية، لم يتم الكشف عن وجود بكتيريا حية."
يمكن للشرائح النانوية المسحوقة التحرك بسرعة، والتلامس المباشر مع العديد من البكتيريا وقتلها بسرعة، أضاف.
تتلاشى نواتج التفاعل الكيميائي التي تولدها أشعة الشمس بسرعة أيضًا.
"عمر بيروكسيد الهيدروجين والجذور الهيدروكسيل قصير جدًا"، قال تسوي. "إذا لم يجدوا بكتيريا لأكسدتها على الفور، تتحلل المواد الكيميائية إلى ماء وأكسجين وتتخلص منها في غضون ثوانٍ. لذا يمكنك شرب الماء فورًا."
المسحوق غير سام أيضًا وقابل للتدوير. يمكن لأكسيد الحديد إزالة الشرائح النانوية من الماء باستخدام مغناطيس عادي. في الدراسة، استخدم الباحثون الجاذبية لجمع نفس المسحوق 30 مرة لمعالجة 30 عينة مختلفة من الماء الملوث.
"بالنسبة للمتنزهين والمسافرين، يمكنني تصور حمل كمية صغيرة من المسحوق ومغناطيس صغير"، قال تسوي. "نهارًا، تضع المسحوق في الماء وتهزه قليلاً تحت أشعة الشمس وفي غضون دقيقة تحصل على ماء صالح للشرب. يمكنك استخدام المغناطيس لاستخراج الجسيمات للاستخدام لاحقًا."
قد يكون المسحوق مفيدًا أيضًا في محطات معالجة المياه العادمة التي تستخدم حاليًا مصابيح فوق البنفسجية لتعقيم الماء المعالج، أضاف. "نهارًا، يمكن للمحطة استخدام أشعة الشمس المرئية، والتي ستعمل بشكل أسرع من الأشعة فوق البنفسجية وربما توفر الطاقة"، قال تسوي. "الشرائح النانوية سهلة الصنع ويمكن توسيعها بسرعة بالأطنان."
تركزت الدراسة على البكتيريا إي.كولاي، التي يمكن أن تسبب أمراض الجهاز الهضمي الحادة ويمكن أن تكون حتى قاتلة. تخطط فريق ستانفورد لاختبار المسحوق الجديد على عوامل ممرضة أخرى محمولة بالماء، بما في ذلك الفيروسات والكائنات الدقيقة والطفيليات التي تسبب أيضًا أمراضًا خطيرة والوفاة.
تقرير من بحث منشور في "Nature Water". للنزيد يرجى مراجعة.
Yi Cui, Solar-driven efficient heterogeneous subminute water disinfection nanosystem assembled with fingerprint MoS2, Nature Water (2023). DOI: 10.1038/s44221-023-00079-4.