‘Vissen’ op giftige verontreinigingen met behulp van superparamagnetische nanodeeltjes

Als een waterbron eenmaal verontreinigd is, kan het kostbaar en moeilijk te saneren zijn. Natuurlijke remedies kunnen honderden jaren duren en kunnen nog steeds niet alle gevaarlijke verontreinigingen met succes verwijderen. Als het gaat om mondiale volksgezondheidskwesties zoals deze, is de behoefte aan nieuwe en veilige oplossingen dringend. John Fortner ontwerpt vanaf het begin oplossingen om precies dat te doen.

Fortner, universitair hoofddocent chemische en milieutechniek, leidt een van de weinige laboratoria in de VS die de kruising tussen materiaalwetenschap en milieutechniek onderzoekt. Daar worden materialen die direct in het laboratorium worden gesynthetiseerd, of het nu magnetische nanodeeltjes, op grafeen gebaseerde composieten of hyperthermische katalysatoren zijn, zorgvuldig ontworpen om verontreinigingen in waterbronnen te behandelen.

Fortner is altijd aangetrokken geweest tot het verbeteren van de volksgezondheid via op het milieu gebaseerde trajecten. Hij overwoog aanvankelijk een carrière in de geneeskunde toen hij voor het eerst het gebied van milieutechniek ontdekte.

“Ik volgde een cursus bioremediatie en raakte gefascineerd door het ontwerpen van biologische systemen om verontreinigingen in situ af te breken,” zei Fortner.

Destijds was traditioneel milieutechnisch onderzoek gericht op het gebruik van microben – biologische organismen op microscopische schaal – om verontreinigingen in industriële afvalwaterstromen af ​​te breken. Na het volgen van cursussen die zijn biologische focus overbrugden met toegepaste technische systemen, vond Fortner zijn “fit” en schakelde al snel over naar milieutechniek.

Hoewel het tegenwoordig alomtegenwoordig is, is onderzoek naar nanomaterialen een relatief nieuw veld. Aan het eind van de 20e eeuw stelde de ontwikkeling van geavanceerde beeldvormingstechnologieën wetenschappers in staat om voor het eerst nanomaterialen te bestuderen. In 1989, 15 jaar nadat de term “nanowetenschap” was bedacht, begon het eerste nanotechnologiebedrijf nanostructuren te commercialiseren. In 2001, toen Fortner naar de graduate school ging, waren nanomaterialen geïndustrialiseerd in computerwetenschappen en biomedische technologie.

In vergelijking met hun grotere tegenhangers hebben nanomaterialen voordelen, zoals afstembaarheid en/of unieke reactiviteit, als gevolg van hun ongelooflijk kleine afmetingen en nieuwe eigenschappen. Zoals Fortner het stelt: “nanomaterialen hebben het potentieel om te doen wat traditionele materialen simpelweg niet kunnen.”

In 1985 ontdekten scheikundigen in Rice een nieuwe koolstofallotroop – buckminsterfullereen (genaamd fullerenen of “buckyballs”) – wat hen leidde tot een Nobelprijs voor de Scheikunde in 1996 en leidde tot een nanotechnologie-hausse bij Rice en daarbuiten. Hierdoor werd het Center for Biological and Environmental Nanotechnology, een door NSF gefinancierd onderzoekscentrum, opgericht in Rice toen Fortner aan zijn afstudeerstudie begon. Daar werkte hij met medewerkers om het gedrag van nanomaterialen in het milieu te begrijpen, met zijn Ph.D. proefschrift gericht op fullerenen in natuurlijke systemen. Destijds was er heel weinig bekend over de kwestie die leidde tot verschillende opwindende bevindingen die het opkomende gebied van milieu-nanotechnologie ondersteunen.

“Destijds was er zoveel te ontdekken”, zei Fortner. “Naast het begrijpen van fundamenteel gedrag van nanomaterialen in het milieu, was het duidelijk dat er fantastische mogelijkheden waren om ‘nano’ toe te passen op kritieke milieuproblemen bij detectie en behandeling (sanering van vervuiling) … om het leven van mensen gezonder te maken door een betere, schonere omgeving. “

Kort na zijn afstuderen trad Fortner toe tot de faculteit van de Washington University in St. Louis, waar hij de fundamentele mechanismen bestudeerde die betrokken zijn bij de synthese en reactiviteit van nanostructuren. Hij was vooral geïnteresseerd in het begrijpen hoe nanodeeltjes verontreinigingen anders afbreken dan traditionele systemen en of nanodeeltjes toepassingen hebben buiten de waterindustrie.

Tijdens zijn tijd aan de Washington University was hij fellow bij het International Center for Energy, Environment, and Sustainability, waar hij samenwerkte met andere onderzoekers om nanotechnologieën te ontwikkelen voor een reeks toepassingen, waaronder nieuwe waterbehandelingsmembranen en detectietechnologieën.

“Het was een geweldige plek om een ​​onafhankelijke onderzoekscarrière te beginnen,” zei Fortner. “Ik heb daar geweldige samenwerkingen ontwikkeld, die me nog meer naar de fundamentele kant van chemie en materiaalwetenschap hebben geduwd.”

Fortner trad in 2019 toe tot de faculteit van Yale’s Department of Chemical and Environmental Engineering. In het Fortner Lab wordt bijna alles helemaal opnieuw gemaakt: onderzoekers ontwerpen en synthetiseren nanodeeltjes, composieten met meerdere componenten en bijbehorende functionele coatings om watergerelateerde milieuproblemen aan te pakken.

Een van zijn meest recente samenwerkingen draait om perfluoralkylverontreinigingen (PFAS), gefluoreerde koolstofstructuren die worden aangetroffen in tal van consumentenproducten, variërend van fastfoodverpakkingen tot teflonpannen tot brandbestrijdingsschuim. Omdat deze producten zo zijn ontwikkeld dat ze niet reageren op de meeste chemicaliën of hoge temperaturen, kunnen PFAS-verontreinigingen niet worden behandeld met conventionele biologische behandelingsprocessen. Om deze “voor altijd chemicaliën” aan te pakken, heeft het laboratorium van Fortner, in samenwerking met Kurt Pennell van Brown University en Natalie Capiro van Auburn University, superparamagnetische nanodeeltjes ontwikkeld, die speciaal zijn gecoat met sorptiemiddelen. Ze ontdekten dat wanneer deze gemanipuleerde nanodeeltjes worden verspreid in een vervuilde bron, verontreinigingen worden aangetrokken door specifieke functionele groepen op het molecuul. De deeltjes kunnen dan samen met de verontreinigingen worden opgevangen met behulp van een magneetveld en het geconcentreerde PFAS kan worden verwijderd. Deze strategie maakt het mogelijk om zeer grote volumes media gericht en energiezuinig te beheren.

“Het is geweldig”, zei Fortner. “We kunnen een aanzienlijke hoeveelheid PFAS op één deeltje sorberen en eenvoudig een magneet gebruiken om het te verwijderen. Het is een leuke manier om te gaan ‘vissen’ om PFAS of andere verontreinigingen uit een vervuilde waterbron te verwijderen.”

Vergeleken met andere onderzoekslaboratoria rond Yale is het Fortner Lab een kleine maar machtige kracht. Momenteel zes Ph.D. studenten worden begeleid door Fortner, naast twee postdoctorale onderzoekers. Door de kleine omvang van de groep kan hij individueel met de studenten werken, waardoor ze echt verantwoordelijkheid nemen voor onderzoeksprojecten. Susanna Maisto, een eerstejaars Environmental Engineering Ph.D. student, beschrijft de onderzoeksgroep als “ondersteunend, gastvrij en samenwerkend.”

“Dr. Fortner heeft een geweldige manier van mentorschap; hij biedt altijd alle ondersteuning die je nodig hebt, maar overschrijdt nooit.” zei Maisto. “Hij checkt vaak in om ervoor te zorgen dat we het lab in en uit gedijen.”