Нанолабиринт из сульфида молибдена поможет с дезинфекцией воды

Химики из Университета Стэнфорда разработали материал, способный дезинфицировать воду под действием видимого света. В его основе лежит массив вертикальных «нанохлопьев» из дисульфида молибдена. Поглощая фотоны, материал катализирует распад воды и образование активных форм кислорода (радикалов и перекисей), уничтожающих бактерии. Исследование опубликовано в журнале Nature Nanotechnology, коротко о нем сообщает пресс-релиз национальной ускорительной лаборатории SLAC.

Один из разрабатываемых методов обеззараживания питьевой воды — использование фотокатализаторов. Эти вещества способны, среди прочего, разлагать воду под действием света. Среди продуктов деятельности катализаторов содержатся активные формы кислорода: перекиси, свободные радикалы. Эти частицы опасны для микроорганизмов и способны значительно уменьшать их концентрации.

Принцип работы фотокатализаторов основан на возникновении пары электрон — дырка в материале при поглощении фотона видимого диапазона. В зависимости от строения и состава материала изменяется минимальная энергия, требуемая для этого процесса, — она связана с понятием запрещенной зоны материала. Образующиеся электроны и дырки могут взаимодействовать с молекулами вокруг катализатора, к примеру, дырки могут «отбирать» электроны у воды, порождая гидроксильные радикалы.

Большинство эффективных фотокатализаторов, в частности оксид титана, требуют для своей работы ультрафиолетовое излучение — фотонам видимого света не хватает энергии для рождения электрона и дырки. Однако в солнечном свете доля ультрафиолета составляет лишь четыре процента, что сильно сказывается на скорости очистки. Так, известные методики требуют от 6 до 48 часов на полное обеззараживание. Вместе с тем, энергии фотонов видимого диапазона (400-800 нанометров) формально должно быть достаточно для запуска реакций образования активных форм кислорода. К тому же они составляют около половины энергии солнечного света. Ученые уже пытались применять для дезинфекции другие фотокатализаторы, работающие в видимом диапазоне (к примеру, красный фосфор), но сталкивались с низкой эффективностью.

Авторы исследовали способности к обеззараживанию воды дисульфида молибдена — активно исследуемого сейчас полупроводникового материала. Запрещенная зона в нем может меняться в широких пределах при изменении толщины образца. В кристалле она соответствует инфракрасному излучению (950 нанометров), а моноатомный слой дисульфида молибдена образует пары электрон-дырка при длине волны света до 650 нанометров.

Химики вырастили на подложке массив вертикальных «снежинок» из дисульфида молибдена со строго заданной толщиной (около 40 нанометров). Она была настроена на то, чтобы производить электрон-дырочные пары при облучении видимым светом — с длиной волны меньше, чем 800 нанометров. Для увеличения эффективности авторы также напыляли на снежинки золото или медь. После этого ученые помещали материал в раствор, содержащий кишечную палочку, и проводили эксперименты по дезинфекции.

Оказалось, что спустя час после начала эксперимента под солнечным светом золоченые «снежинки» уничтожали, по меньшей мере, 99,999 процента бактерий. В аналогичном эксперименте с оксидом титана эффективность составляла 99,9 процента. Наибольшую активность проявили «снежинки» с медным покрытием — спустя 20 минут эксперимента в растворе не фиксировалось ни одной живой бактерии. По словам авторов, это ставит материал в один ряд с лучшими аналогами, известными сегодня. При этом для обеззараживания заданного объема воды ученые использовали в десятки раз меньше вещества, чем в ранних экспериментах, — на литр вносилось около 1,6 миллиграмма катализатора. Важно заметить, что фотокатализатор не расходуется в процессе обеззараживания. 

Исследователи отмечают, что методика была отработана лишь на трех штаммах бактерий — двух штаммах E. coli и одном Enterococcus faecalis. Нет уверенности, что она позволит столь же эффективно уничтожать вирусы и другие виды бактерий.  

Современные методы обеззараживания основаны на хлорировании воды. Для этого в воду добавляют хлорную известь или гипохлорит натрия, токсичные для бактерий. К физическим методам обеззараживания питьевой воды относят обработку ультразвуком и ультрафиолетом. В отсутствии фотокатализатора ультрафиолет способен нарушать метаболизм микроорганизмов и губительно действует на их генетический материал. 

Ранее мы сообщали о новом катализаторе, позволяющем быстро избавляться от хлористых примесей в питьевой воде. А в прошлом году группа британских ученых разработала робота, способного добывать себе электроэнергию из грязной воды при помощи микробов.

Владимир Королёв