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Diese glänzenden Kristalle bieten eine neue Wasserreinigung

Diese glänzenden Kristalle bieten eine neue Wasserreinigung

Als in Trinkwasser in Flint, Michigan, und Newark, New Jersey, hohe Schwermetallgehalte gefunden wurden, stellte ein Wissenschaftsteam ein neues leistungsstarkes Werkzeug vor, glühende Kristalle, um kontaminierte Wasserquellen zu reinigen. Die glänzenden Kristalle sind als Luminescent Metal-Organic Frameworks (LMOFs) bekannt, die wie eine Miniatur funktionieren, und wiederverwendbare Sensoren, die die Schwermetalle einfangen.

Die einfache Kombination von zwei Teilen Wasserstoff und einem Teil Sauerstoff bildet die Grundverbindung des Lebens auf der Erde. Mit zwei Dritteln der Erdoberfläche, die mit Wasser bedeckt sind, und 75 Prozent im menschlichen Körper zirkuliert Wasser durch das Land, transportiert, löst sich auf, liefert organische Stoffe und transportiert Abfallstoffe weg. Vom Kochen bis zu Freizeitaktivitäten wie Schwimmen benötigt alles Wasser.

Struktur von LMOF-261. Bildquelle: Berkeley Labs]

Im Gegensatz zu früheren Epochen hat unsere entwickelte Gesellschaft der Wasserqualität ein blaues Auge geschenkt. Die Ausführungsformen natürlicher Wasserkanäle wie Flüsse, Meere und Ozeane wurden genutzt und kontaminiert. Millionen haben Schwierigkeiten, eine ausreichende Versorgung mit sauberem Trinkwasser zu finden. Durch Wasser übertragene Krankheiten sind nach wie vor eine der häufigsten Todesursachen weltweit.

Massive Industriegebiete, veraltete wasserregulierte Städte und landwirtschaftliche Gemeinden sind anfälliger für Grundwasserverschmutzung. Wenn dies nicht behoben wird, kann es zu einer Bodenverunreinigung kommen. Kontaminiertes Wasser kann Krankheiten wie Durchfall, Cholera, Ruhr, Typhus und Polio übertragen. Es wird geschätzt, dass kontaminiertes Trinkwasser jedes Jahr 502.000 Todesfälle durch Durchfall verursacht. Laut WHO wird bis 2025 die Hälfte der Weltbevölkerung in Gebieten mit Wassermangel leben.

Unter der Leitung von Forschern der Rutgers University verwendeten die Wissenschaftler am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) intensive Röntgenstrahlen, um die Struktur winziger, leuchtender Kristalle zu untersuchen, die Schwermetalltoxine wie Blei und Quecksilber nachweisen und einfangen. Die Forschung half auch bei der Untersuchung der Bindung von Kristallen an Schwermetalle.

„Diese Technologie könnte eine geldsparende Lösung sein. Andere hatten MOFs entwickelt, um entweder Schwermetalle nachzuweisen oder um sie zu entfernen, aber niemand hatte zuvor wirklich einen untersucht, der beides kann “, sagt Jing Li, Chemieprofessor an der Rutgers University, der die Forschung leitete.

Der Prozess:

Durch die Integration einer fluoreszierenden chemischen Komponente Ligand leuchtet der LMOF. Während der Wechselwirkung mit Schwermetallen schaltet sich das LMOF-Glühen jedoch aus. "Wenn das Metall an den fluoreszierenden Liganden bindet, fluoresziert das resultierende Gerüst", sagte Simon Teat, ein Wissenschaftler des Berkeley Lab.

Die Kristalle maßen jeweils etwa 100 Mikrometer. Teat untersuchte einzelne LMOF-Kristalle mit Röntgenstrahlen an der Advanced Light Source (ALS) des Labors. Das ALS ist eine der wenigen Synchrotron-Röntgenlichtquellen der Welt, die experimentelle Stationen für die chemische Kristallographie eingerichtet haben. Unter dem Röntgenlicht erzeugen die LMOF Beugungsmuster. Unter Verwendung dieser Muster verwendete Teat Softwaretools, um ihre dreidimensionale Struktur mit atomarer Auflösung abzubilden.

Eine isoretikuläre Reihe von LMOFs wird synthetisiert, indem ein stark emittierendes molekulares Fluorophor und funktionell verschiedene Colinker in Strukturen auf Zn-Basis eingebaut werden. Die dreidimensionalen porösen Netzwerke von LMOF-261, -262 und -263 repräsentieren einen neuen Netztyp.

Teat bemerkte eine gitterartige strukturierte 3D-Struktur, die Kohlenstoff-, Wasserstoff-, Sauerstoff-, Stickstoff- und Zinkatome enthielt, die große und offene Kanäle umrahmten. Diese Strukturen im atomaren Maßstab ermöglichen es den Schwermetallen, in diese offenen Kanäle einzutreten und sich dann chemisch an die MOFs zu binden. Darüber hinaus können die strukturellen Details auch beim Entwurf höher spezialisierter Strukturen hilfreich sein. Aufgrund der großen Oberfläche des MOF können viele Verunreinigungen adsorbiert werden.

[Simon Teat, zusammen mit der Beamline von Advanced Light Source (ALS). Bildquelle: Berkeley Labs]

„Intensive Röntgenstrahlen, die an Synchrotrons erzeugt werden, sind der beste Weg, um die 3D-Struktur der MOFs abzubilden. Die Kenntnis der Kristallstrukturen ist einer der wichtigsten Aspekte unserer Forschung. Sie benötigen diese, um nachfolgende Charakterisierungen durchzuführen und die Eigenschaften dieser Materialien zu verstehen “, sagte Jing Li.

Testergebnisse:

Nach den jüngsten in Applied Materials and Interfaces veröffentlichten Ergebnissen wurde eine Mischung aus Schwer- und Leichtmetallen mit einer Art LMOF getestet. Innerhalb einer halben Stunde könnte es selektiv mehr als 99 Prozent des Quecksilbers aus der Mischung aufnehmen. Das Team berichtete, dass bei diesem Prozess zum Nachweis und zur Erfassung toxischer Schwermetalle keine anderen MOFs eine bessere Leistung erbracht haben.

Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass die LMOFs stark an Quecksilber und Blei binden, aber schwach an leichtere Metalle wie Magnesium und Calcium. Diese leichteren Metalle weisen jedoch nicht die gleichen Gefahren auf. „Dieses selektive Merkmal, das auf der molekularen Zusammensetzung der LMOFs basiert, ist wichtig. Wir brauchen ein MOF, das selektiv ist und nur die schädlichen Arten aufnimmt. Das sind vielversprechende Ergebnisse, aber wir haben noch einen langen Weg vor uns “, sagte Li.

Darüber hinaus stellten die Forscher fest, dass sie vor der Herabstufung der LMOF-Leistung die LMOFs sammeln, reinigen und dann für drei Zyklen toxischer Reinigung wiederverwenden konnten.

Die Zukunft:

Li erklärte, dass weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten kostengünstigere und langlebigere LMOFs untersuchen könnten, die länger dauern könnten, und die Forscher könnten auch die Entwicklung von Wasserfiltern mit einem festen Film verfolgen, indem sie die LMOFs mit Polymeren mischen. „Diese Filter könnten für die Erfassung in größerem Maßstab verwendet werden. Wir möchten diese Forschung fortsetzen “, sagte sie.

Mit der ausreichenden Finanzierung möchte das Wissenschaftsteam die Leistung an tatsächlich kontaminierten Wasserquellen testen. Darüber hinaus wurde das Team von Berkeley Labs ALS verwendet, um die Kristallstrukturen von MOFs für eine Vielzahl anderer Anwendungen zu bestimmen, z. B. zum Nachweis von Sprengstoffen, zum Nachweis von Lebensmittelgiften und für LEDs, neue Arten von lichtemittierenden Komponenten (sogenannte Leuchtstoffe) ), die billigere und reichlich vorhandene Materialien enthalten.

An dieser Untersuchung nahmen auch Forscher der University of Texas in Dallas und der Rider University teil. Die Arbeit wurde vom DOE Office of Science unterstützt.

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Über Berkeley Lab

Ausgewähltes Bild mit freundlicher Genehmigung der Rutgers University

Geschrieben von Alekhya Sai Punnamaraju

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