새로운 기술은 일반 햇빛을 사용하여 식수를 소독합니다.

May 01, 2023

저렴하고 재활용 가능한 분말은 햇빛에 노출되면 초당 수천 마리의 수인성 박테리아를 죽일 수 있습니다. 스탠포드와 SLAC 과학자들은 초고속 소독제가 안전한 식수에 접근하지 못하는 전 세계 20억 명의 사람들에게 혁명적인 발전이 될 수 있다고 말합니다.

전 세계적으로 최소 20억 명의 사람들이 질병을 일으키는 미생물로 오염된 물을 일상적으로 마시고 있습니다.

세균이 오염된 물에 소독분말을 섞은 모습(왼쪽 위). 혼합물은 햇빛에 노출되어 모든 박테리아가 빠르게 죽습니다(오른쪽 위). 자석은 소독 후 금속 분말을 수집합니다(오른쪽 아래). 그런 다음 분말을 오염된 물이 담긴 다른 비커에 다시 넣고 소독 과정을 반복합니다(왼쪽 아래). (이미지 출처: Tong Wu/스탠포드 대학)

이제 스탠포드 대학과 SLAC 국립 가속기 연구소(SLAC National Accelerator Laboratory)의 과학자들은 일반 햇빛에 노출되면 초당 수천 마리의 수인성 박테리아를 죽이는 저비용의 재활용 가능한 분말을 발명했습니다. 스탠포드와 SLAC 팀에 따르면, 이 초고속 소독제의 발견은 안전한 식수에 접근할 수 없는 세계 인구의 거의 30%에게 상당한 진전이 될 수 있다고 합니다. 그들의 결과는 Nature Water의 5월 18일자 연구에 게재되었습니다.

"수인성 질병으로 인해 매년 200만 명이 사망하고 있으며, 그 중 대다수는 5세 미만 어린이입니다."라고 스탠포드 공과대학 재료과학 및 공학(MSE) 박사후 연구원이었던 연구 공동 저자인 Tong Wu는 말했습니다. "우리는 우리의 새로운 기술이 물 소독의 혁명적인 변화를 촉진하고 이 흥미로운 학제간 분야에서 더 많은 혁신을 불러일으킬 것이라고 믿습니다."

기존의 수처리 기술에는 독성 부산물을 생성할 수 있는 화학 물질과 소독에 상대적으로 오랜 시간이 걸리고 전력 공급이 필요한 자외선이 포함됩니다.

스탠포드에서 개발된 새로운 소독제는 태양으로부터 UV와 고에너지 가시광선을 모두 흡수하는 무해한 금속 분말입니다. 분말은 산화알루미늄, 황화몰리브덴, 구리 및 산화철의 나노 크기 플레이크로 구성됩니다.

포티넷 설립자이자 Stanford Doerr School of Sustainability 에너지 과학 및 엔지니어링 분야의 MSE 교수이자 수석 저자인 Yi Cui는 "우리는 이러한 재료 중 극히 일부만을 사용했습니다."라고 말했습니다. "재료는 저렴하고 상당히 풍부합니다. 핵심 혁신은 물에 담그면 모두 함께 기능한다는 것입니다."

황화몰리브덴/구리 촉매는 태양으로부터 광자를 흡수한 후 반도체/금속 접합부처럼 작동하여 광자가 전자를 제거할 수 있게 합니다. 해방된 전자는 주변 물과 반응하여 과산화수소와 수산기 라디칼을 생성합니다. 이는 생물학적으로 가장 파괴적인 형태의 산소 중 하나입니다. 새로 형성된 화학물질은 세포막을 심각하게 손상시켜 박테리아를 빠르게 죽입니다.

소독 전(왼쪽)과 소독 후 대장균의 현미경 이미지. 빨간색 원에 표시된 것처럼 박테리아는 햇빛이 박테리아 세포막에 심각한 손상을 일으키는 화학 물질을 생성한 후 빠르게 죽었습니다. (이미지 출처: Tong Wu/스탠포드 대학)

연구를 위해 Stanford와 SLAC 팀은 mL[0.03oz.]당 약 100만 마리의 대장균 박테리아로 오염된 실온 물이 담긴 200mm 비커를 사용했습니다.

공동 저자이자 MSE 박사후 연구원이었던 Bofei Liu는 "우리는 오염된 물에 분말을 섞었습니다."라고 말했습니다. 이어 “실제 햇빛 아래 스탠포드 캠퍼스에서 소독 테스트를 진행했는데, 60초 이내에 살아있는 박테리아가 검출되지 않았다”고 말했다.

분말형 나노플레이크는 빠르게 움직일 수 있고 많은 박테리아와 물리적으로 접촉하여 빠르게 죽일 수 있다고 그는 덧붙였습니다.

햇빛에 의해 생성된 화학 부산물도 빠르게 소멸됩니다.

“과산화수소와 하이드록시 라디칼의 수명은 매우 짧습니다.”라고 Cui는 말했습니다. "산화할 박테리아를 즉시 찾지 못하면 화학 물질은 물과 산소로 분해되어 몇 초 안에 폐기됩니다. 따라서 물을 바로 마실 수 있습니다."