« Pêcher » les polluants toxiques avec des nanoparticules superparamagnétiques


« Pêcher » les polluants toxiques avec des nanoparticules superparamagnétiques

Crédit : École d’ingénierie et de sciences appliquées de Yale

Une fois qu’une source d’eau est contaminée, l’assainissement peut être coûteux et difficile. Les remèdes naturels peuvent durer des centaines d’années et ne peuvent toujours pas éliminer tous les contaminants dangereux. Lorsqu’il s’agit de problèmes de santé publique mondiaux comme ceux-ci, il existe un besoin urgent de solutions nouvelles et sûres. John Fortner développe des solutions pour cela à partir de zéro.

Fortner, professeur agrégé de génie chimique et environnemental, dirige l’un des rares laboratoires aux États-Unis à étudier l’interface entre la science des matériaux et le génie environnemental. Là, les matériaux synthétisés directement en laboratoire, qu’il s’agisse de nanoparticules magnétiques, de composites à base de graphène ou de catalyseurs hyperthermiques, sont soigneusement conçus pour traiter les contaminants dans les sources d’eau.

Fortner s’est toujours intéressé à l’amélioration de la santé publique par des voies environnementales. Lorsqu’il a découvert par lui-même le domaine des technologies environnementales, il a d’abord envisagé une carrière en médecine.

« J’ai suivi un cours de bioremédiation et j’étais fasciné par le développement de systèmes biologiques pour dégrader les contaminants in situ », a déclaré Fortner.

À l’époque, la recherche traditionnelle en génie de l’environnement se concentrait sur l’utilisation de microbes – des organismes biologiques à l’échelle microscopique – pour décomposer les dans les flux d’eaux usées industrielles. Après avoir étudié des cours qui combinaient sa concentration biologique des systèmes d’ingénierie appliqués, Fortner a trouvé sa « fit » et est rapidement passé à la technologie environnementale.

Bien qu’omniprésente aujourd’hui, la recherche sur les nanomatériaux est un domaine relativement nouveau. À la fin du 20e siècle, le développement de technologies d’imagerie avancées a permis aux scientifiques d’étudier les nanomatériaux pour la première fois. En 1989, 15 ans après l’invention du terme « nanoscience », la première entreprise de nanotechnologie a commencé à commercialiser des nanostructures. En 2001, lorsque Fortner est entré à l’école doctorale, les nanomatériaux avaient été industrialisés en informatique et en génie biomédical.

Par rapport à leurs homologues plus grands, les nanomatériaux présentent des avantages tels que : B. Ajustabilité et/ou réactivité unique résultant de leurs tailles incroyablement petites et de leurs nouvelles propriétés. Comme le dit Fortner, « les nanomatériaux ont le potentiel de faire ce que les matériaux traditionnels ne peuvent tout simplement pas faire ».

En 1985, les chimistes de Rice ont découvert un nouvel allotrope de carbone – le buckminsterfullerène (appelé fullerènes ou « buckyballs ») – qui leur a valu le prix Nobel de chimie en 1996 et a déclenché un boom de la nanotechnologie chez Rice et au-delà. Cela a créé le Center for Biological and Environmental Nanotechnology, un centre de recherche financé par la NSF, à Rice lorsque Fortner a commencé ses études supérieures. Là, il a travaillé avec des collaborateurs pour comprendre le comportement des nanomatériaux dans l’environnement, avec son doctorat. Mémoire portant sur les fullerènes dans les systèmes naturels. On savait très peu de choses sur le sujet à l’époque, ce qui a conduit à plusieurs découvertes passionnantes qui ont étayé le domaine en plein essor de la nanotechnologie environnementale.

« Il y avait tellement de choses à découvrir à l’époque », déclare Fortner. « Au-delà de la compréhension du comportement de base des nanomatériaux dans l’environnement, il était clair qu’il existait des opportunités fantastiques d’appliquer les « nano » aux problèmes environnementaux critiques dans la collecte et le traitement (assainissement de l’environnement)… pour aider à transformer la vie des gens grâce à un meilleur, à rendre un environnement plus propre et plus sain. « 

Peu de temps après avoir obtenu son diplôme, Fortner a rejoint la faculté de l’Université de Washington à St. Louis, où il a étudié les mécanismes fondamentaux impliqués dans la synthèse et la réactivité des nanostructures. Il était particulièrement intéressé à comprendre comment les nanoparticules décomposent les polluants différemment des systèmes traditionnels et si les nanoparticules avaient des applications en dehors de l’industrie de l’eau.

Pendant son séjour à l’Université de Washington, il a été membre du Centre international pour l’énergie, l’environnement et la durabilité, où il a travaillé avec d’autres chercheurs pour développer la nanotechnologie pour une gamme d’applications, y compris de nouvelles membranes de traitement de l’eau et des technologies de capteurs.

« C’était un endroit merveilleux pour commencer une carrière de chercheur indépendant », a déclaré Fortner. « J’y ai développé d’étonnantes collaborations qui m’ont permis d’approfondir encore plus l’aspect fondamental de la chimie et de la science des matériaux. »

Fortner a rejoint la faculté du département de génie chimique et environnemental de Yale en 2019. Presque tout est créé à partir de zéro au Fortner Lab : les chercheurs conçoivent et synthétisent des nanoparticules, des composites multicomposants et des revêtements fonctionnels associés pour résoudre les problèmes environnementaux liés à l’eau.

L’une de ses collaborations les plus récentes porte sur les contaminants perfluoroalkyliques (PFAS), des structures de carbone fluoré présentes dans une large gamme de produits de consommation, des emballages de restauration rapide aux casseroles en téflon en passant par les mousses anti-incendie. Étant donné que ces produits sont conçus pour ne pas réagir à la plupart des produits chimiques ou aux températures élevées, les contaminants PFAS ne peuvent pas être traités à l’aide de procédés de traitement biologique traditionnels. Pour faire face à ces « produits chimiques éternels », le laboratoire de Fortner, en collaboration avec Kurt Pennell de l’Université Brown et Natalie Capiro de l’Université d’Auburn, a développé des nanoparticules spécialement recouvertes de sorbants. Ils ont découvert que lorsque ces nanoparticules artificielles sont dispersées dans une source polluée, les contaminants sont attirés par certains groupes fonctionnels de la molécule. Les particules peuvent ensuite être collectées avec les contaminants à l’aide d’un champ magnétique et le PFAS concentré retiré. Avec cette stratégie, de très grandes quantités de médias peuvent être gérées de manière ciblée et économe en énergie.

« C’est incroyable », a déclaré Fortner. « Nous pouvons sorber une quantité importante de PFAS sur une particule et utiliser simplement un aimant pour l’enlever. C’est un moyen efficace de « pêcher » les PFAS ou d’autres contaminants d’une source d’eau polluée pour les éliminer. »

Comparé à d’autres laboratoires de recherche autour de Yale, le Fortner Lab est une force petite mais puissante. Actuellement six doctorats. Les étudiants sont encadrés par Fortner aux côtés de deux postdocs. La petite taille du groupe lui permet de travailler individuellement avec les étudiants et leur donne l’opportunité de réellement prendre en charge des projets de recherche. Susanna Maisto, ingénieure en environnement de première au doctorat. L’étudiant décrit le groupe de recherche comme « solidaire, accueillant et collaboratif ».

« Le Dr Fortner a un excellent style de mentorat ; il offre toujours le soutien dont vous avez besoin, mais il n’en fait jamais trop. » dit Maisto. « Il passe souvent pour s’assurer que nous allons bien à l’intérieur et à l’extérieur du laboratoire. »


Adieu les produits chimiques pour toujours : les chercheurs visent à éliminer les PFAS pour de bon


Fourni par la Yale School of Engineering and Applied Science

Citation: ‘Fishing’ for toxic contaminants using superparamagnetic nanoparticles (2022, June 22), récupéré le 23 juin 2022 sur https://phys.org/news/2022-06-fishing-toxic-contaminants-superparamagnetic-nanoparticles.html

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