Dans cette illustration, une nanoparticule de « rouille intelligente » attire et piège les molécules d’œstrogène, qui sont représentées par les objets flottants. Crédit : Dr Dustin Vivod et Prof. Dr Dirk Zahn, Centre de chimie informatique (CCC), Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
Les chercheurs ont développé une « rouille intelligente », des nanoparticules d’oxyde de fer qui nettoient l’eau en attirant des polluants tels que le pétrole, les nano et microplastiques, le glyphosate et même les hormones œstrogènes.
Verser des taches de rouille dans l’eau la rend généralement plus sale. Cependant, un développement révolutionnaire réalisé par des chercheurs a conduit à la création d’une « rouille intelligente », un type de nanoparticules d’oxyde de fer capable de purifier l’eau. Cette rouille intelligente a la capacité unique d’attirer divers polluants, tels que le pétrole, les nano et microplastiques et l’herbicide glyphosate, en fonction de l’enrobage des particules. Ce qui le rend encore plus efficace, c’est sa nature magnétique, qui permet de l’extraire facilement de l’eau à l’aide d’un aimant, emportant avec lui les polluants. Récemment, l’équipe a optimisé ces particules pour capturer les hormones œstrogènes, qui peuvent nuire à la vie aquatique.
Présentation et signification
Les chercheurs ont présenté leurs résultats lors de la réunion d’automne de l’American Chemical Society (ACS). L’ACS Fall 2023 est une réunion qui comprend environ 12 000 présentations sur un large éventail de sujets scientifiques.
L’eau de nos océans, lacs et rivières peut être polluée par divers contaminants, ce qui nécessite une méthode de nettoyage simple et peu coûteuse. Une équipe de chercheurs conçoit des nanoparticules magnétiques capables de cibler des polluants spécifiques comme les hormones œstrogènes, qui sont transportées dans les cours d’eau par les eaux usées et peuvent être nocives pour la vie aquatique. Les particules sont constituées d’oxyde de fer, que la plupart d’entre nous appellent rouille, et les chercheurs peuvent modifier la surface des particules pour s’accrocher à divers polluants. Ensuite, un aimant peut extraire les particules de l’eau, ainsi que tous les polluants qui s’y accrochent. Crédit : Société américaine de chimie
« Notre « rouille intelligente » est bon marché, non toxique et recyclable », explique Marcus Halik, Ph.D., chercheur principal du projet. « Et nous avons démontré son utilisation pour toutes sortes de contaminants, démontrant ainsi le potentiel de cette technique pour améliorer considérablement le traitement de l’eau. »
La science derrière Smart Rust
Depuis de nombreuses années, l’équipe de recherche de Halik étudie des moyens respectueux de l’environnement pour éliminer les polluants de l’eau. Les matériaux de base qu’ils utilisent sont des nanoparticules d’oxyde de fer sous forme superparamagnétique, ce qui signifie qu’elles sont attirées par les aimants, mais pas les unes par les autres, de sorte que les particules ne s’agglutinent pas.
Pour les rendre « intelligents », l’équipe a développé une technique permettant de fixer des substances phosphoniques. acide molécules sur des sphères de taille nanométrique. « Après avoir ajouté une couche de molécules aux noyaux d’oxyde de fer, elles ressemblent à des poils dépassant de la surface de ces particules », explique Halik, de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Ensuite, en modifiant ce qui est lié de l’autre côté des acides phosphoniques, les chercheurs peuvent ajuster les propriétés des surfaces des nanoparticules pour adsorber fortement différents types de polluants.
Les premières versions de la rouille intelligente emprisonnaient le pétrole brut provenant de l’eau collectée dans la mer Méditerranée et le glyphosate provenant de l’eau d’un étang collecté près de l’université des chercheurs. De plus, l’équipe a démontré que la rouille intelligente pouvait éliminer les nano- et microplastiques ajoutés aux échantillons d’eau de laboratoire et d’eau de rivière.
Cibler les polluants hormonaux
Jusqu’à présent, l’équipe a ciblé les polluants présents en grandes quantités. Lukas Müller, un étudiant diplômé qui présente de nouveaux travaux lors de la réunion, voulait savoir s’il pouvait modifier les nanoparticules de rouille pour attirer des traces de contaminants, tels que des hormones. Lorsque certaines hormones de notre corps sont excrétées, elles sont rejetées dans les eaux usées et finissent par pénétrer dans les cours d’eau. Les œstrogènes naturels et synthétiques constituent l’un de ces groupes d’hormones, et les principales sources de ces contaminants comprennent les déchets provenant des humains et du bétail. Les quantités d’œstrogènes sont très faibles dans l’environnement, explique Müller, et sont donc difficiles à éliminer. Pourtant, il a été démontré que même ces niveaux affectent le métabolisme et la reproduction de certaines plantes et animaux, bien que les effets de faibles niveaux de ces composés sur les humains sur de longues périodes ne soient pas entièrement connus.
«J’ai commencé avec l’œstrogène le plus courant, l’estradiol, puis quatre autres dérivés partageant des structures moléculaires similaires», explique Müller. Les molécules d’œstrogène ont un corps stéroïde volumineux et des parties avec de légères charges négatives. Pour exploiter ces deux caractéristiques, il a recouvert des nanoparticules d’oxyde de fer de deux ensembles de composés : un long et un autre chargé positivement. Les deux molécules se sont organisées à la surface des nanoparticules et les chercheurs émettent l’hypothèse qu’ensemble, elles construisent plusieurs milliards de « poches » qui attirent l’œstradiol et le retiennent en place.
Parce que ces poches sont invisibles à l’œil nu, Müller a utilisé des instruments de haute technologie pour vérifier l’existence de ces poches qui piègent les œstrogènes. Les résultats préliminaires montrent une extraction efficace des hormones à partir d’échantillons de laboratoire, mais les chercheurs doivent examiner des expériences supplémentaires de spectroscopie de résonance magnétique nucléaire à l’état solide et de diffusion de neutrons aux petits angles pour vérifier l’hypothèse de poche. «Nous essayons d’utiliser différentes pièces de puzzle pour comprendre comment les molécules s’assemblent réellement à la surface des nanoparticules», explique Müller.
Perspectives d’avenir
Pour l’avenir, l’équipe a l’intention de tester ces particules sur des échantillons d’eau réels et de déterminer le nombre de fois où elles pourront être réutilisées. Étant donné que chaque nanoparticule a une surface élevée avec de nombreuses poches, les chercheurs affirment qu’ils devraient être capables d’éliminer les œstrogènes de plusieurs échantillons d’eau, réduisant ainsi le coût par nettoyage. « En recyclant ces particules à plusieurs reprises, l’impact matériel de cette méthode de traitement de l’eau pourrait devenir très faible », conclut Halik.
Réunion : ACS automne 2023
Les chercheurs reconnaissent le soutien et le financement de la Fondation allemande pour la recherche, de la Fondation fédérale allemande pour l’environnement et de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.
Titre
Rouille intelligente pour nettoyer l’eau des hormones
Abstrait
L’accès à l’eau potable est reconnu comme un droit humain par les Nations Unies. Cependant, des polluants moléculaires anthropiques, comme les hormones, sont présents dans nos eaux souterraines et se retrouvent dans l’eau potable en raison d’une élimination négligente et d’une assainissement insuffisant. Il a déjà été démontré qu’à l’état de traces, ces composés ont des effets graves sur la flore et la faune aquatiques, mais aussi sur nous, les humains, en particulier les enfants. Pourtant, les conséquences d’une exposition à long terme sont souvent inconnues. Il existe donc une forte demande en matière d’élimination abordable et efficace de ces contaminants organiques de l’eau. Ayant cela à l’esprit, nous sommes en route développer un concept prometteur pour résoudre ce problème. Les nanoparticules d’oxyde de fer superparamagnétiques (SPION) sont fonctionnalisées en surface avec des monocouches auto-assemblées (SAM) composées de dérivés d’acide phosphonique à liaison permanente pour traiter certains motifs d’interaction d’hormones sélectionnées (« rouille intelligente »). Ces particules attirent les polluants et peuvent être facilement éliminées de l’eau par un champ magnétique externe en raison du moment magnétique de leurs noyaux. Sur la base de précédentes assainissements réussis de l’herbicide glyphosate, des micro et nanoplastiques ainsi que du pétrole brut via des motifs d’interaction majeurs uniques (liaison covalente – interactions électrostatiques – interaction hydrophobe respectivement), nous poursuivons la prochaine étape logique. Nous établissons l’interaction de conceptions rationnelles mixte SAM sur SPION avec des traces de polluants organiques dédiés, c’est-à-dire divers dérivés d’œstrogènes. Par conséquent, nous envisageons des systèmes absorbants qui sont non seulement thermodynamiquement attrayants pour les polluants de choix grâce à la combinaison de multiples motifs d’interaction, mais qui présentent également des cavités de taille appropriée dans le mixte SAM. Cette approche bénéficie de la synergie de la science des matériaux expérimentaux et de la chimie analytique pour adapter les nanoparticules hybrides.
