纳米装饰在自然的地下水过滤器

当细菌和病毒进入井水并使人们生病时，通常会在大雨或洪水之后造成污染。2000年，安大略省沃克顿的2,300多人在经历了异常大雨之后生病了。大肠杆菌细菌找到了饮用水井的途径。七人死亡。

原因很简单 - 额外的地下水将细菌扫到井中。但在微观层面，问题更加复杂和神秘。犹他大学地球科学家威廉·约翰逊研究污染物 - 包括细菌和病毒 - 如何通过地下水。经过多年努力解决这个问题，约翰逊找到了一个答案，可以帮助水管理者更好地准备和应对雨水和洪水造成的爆发。

答案涉及化学，物理学。。。还有一点装饰纳米科学。

来自哥伦比亚大学和厄瓜多尔的约翰逊和他的同事今天在环境科学与技术方面发表了他们的工作，并得到了国家科学基金会的支持。

分子，颗粒和胶体

地下水科学家知道，为了预测污染物移动的距离或速度，他们首先必须了解污染物在沿途粘附到沉积物颗粒的程度。许多污染物，如硝酸盐或砷，都是由几个原子组成的小分子。但悬浮颗粒(称为胶体)包括病毒，细菌和原生动物比分子大数千到数百万倍。尺寸的差异使得分子和胶体对它们周围的力的反应不同，就像蚊子和飞艇在它们的运动方式和它们躲避风的能力方面的差异一样。污染物和沉积物表面之间的实际作用力与气球和头发之间的静电力以及将壁虎保持在天花板上的范德瓦尔斯力有关，胶体比分子强得多。尽管科学家对分子大小的污染物如何通过地下水进行了很好的了解，但由于尺寸差异，胶体的行为更难以确定。

因为大胶体具有有限的随机运动，所以它们在地下水中撞击沉积物颗粒表面的可能性实际上是可预测的，类似于预测游泳者在快速的巨石填充流中从筏中弹出的轨迹。一些胶体正在漂浮，而另一些胶体则发现自己在一条直接通往巨石的路线上，可能会拦截巨石。

但拦截巨石只是下水的一半，因为在找到着陆点之后，游泳者(或胶体)必须“坚持降落”。如果胶体和沉积物具有相反的电荷，则胶体在到达表面时会粘附，并且它们在地下水中的浓度是可预测的，因为它们随着与污染源的距离呈指数下降。

但在环境中，条件通常不利于依恋。两个表面都倾向于带负电并相互排斥。约翰逊说，在这些条件下，胶体浓度与其源头的距离存在螺旋关系，到目前为止，预测运输距离几乎是不可能的。

当现有的胶体附着理论使用传统的表面特性测量时，“理论认为没有人能够坚持着陆，”约翰逊说。“在环境条件下，任何事物都不应该附加。”

但颗粒确实附着。沉积物可以是一种有效的过滤器，如过去几十年的许多实验室实验和现场实验所示。例如，约翰逊和他的学生们在厄瓜多尔进行了实验，他们已经证明，在受采矿影响的河流附近挖掘通道可以使水流通过砾石岸，从而可以去除高达95%的汞。

工程胶体去除也有助于保护其他水资源，但这种工程需要准确预测是否会发生“坚持着陆”。那么，是什么让一些东西坚持沉积物(厄瓜多尔的重金属)，但有些东西不是(大雨后的细菌)?这里是装饰纳米科学进入故事的地方。

装饰纳米科学

二十多年来，研究人员都知道胶体附着理论并不完美，因为该理论将胶体和表面都视为一种散装物质，具有相同的性质。然而，在纳米尺度上，无论是在形状还是化学方面，表面都存在巨大的变化。大约10年前，马萨诸塞大学的研究人员开发出一种更简单的方法来表示表面上不同特性的区域，类似于复活节彩蛋上的装饰或印象派绘画上的色块。

约翰逊，他的研究生和同事从2014年开始进一步采用这一概念，试图将这种“装饰”理论与胶体在沉积物中移动的实验相匹配。根据装饰理论，胶体和表面在有限的相互作用区域内相互作用，随着胶体尺寸的增加而膨胀，并随着离子强度的降低而扩大 - 离子强度 - 水中溶解离子的浓度。

坚持着陆取决于有吸引力的表面域是否填充了交互区的大部分，使得交互网具有吸引力。在有吸引力的装饰尺寸，胶体尺寸，离子强度和水流速度的平衡中，新理论显示了胶体如何粘附。通过改变胶体大小，离子强度和水流速度，约翰逊小组发现了“装饰”的代表，它解释了环境条件下的胶体附着。

但其他现象也出现在现在包含“装饰”沉积物的模拟中 - 他和同事在他们的新论文中探讨了这些现象。约翰逊的模拟结果显示，一些胶体很快附着，有些胶体附着得很慢，因为它们会嗅到沉积物上的斑点，它们可以粘在它们的着陆点上。当胶体悬浮在沉积物表面时，它们还显示出胶体的一系列“停留时间”。

“当你将这些停留时间固定在简单的关系中以进行升级以预测更远距离的运输时，”约翰逊说，“出现以前不可预测的胶体浓度关系作为运输距离的函数。现在我们可以最终预测它们。”

值得注意的是，模拟结果也显示了强降雨与地下水疾病爆发之间关系的潜在解释。由于地下水岩化学作用，地下水自然具有比新鲜雨水更高的离子强度。但在大雨期间，地下水会转移到较低的离子强度。胶体 - 表面相互作用区域扩大，这可以将整体相互作用从吸引力转变为排斥性。“你会像在暴雨中那样降低离子强度，”约翰逊说。“相互作用的区域扩展到超有吸引力的纳米级”装饰之外，“互动从净吸引力转向网络排斥，以及关闭的东西。” 现在，约翰逊说，水资源管理者有更多的工具可以预防像安大略省那样的疾病爆发。例如， ”

约翰逊很高兴看到本文中理论与实验证据的融合，推动了他多年来一直在努力的领域。“我们已经退出了一个可能具有代表性的特征。我们在更大规模上观察到的事物从代表纳米到孔隙尺度的现象出现，”他说。“对我来说，这真的令人满意。”