清華新聞網(wǎng)9月21日電 消毒是控制病原微生物、阻斷水傳播疾病的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，現(xiàn)有消毒技術(shù)通過(guò)強(qiáng)氧化或紫外輻照作用殺滅微生物，面臨能耗藥耗高、有毒有害副產(chǎn)物易生成等問(wèn)題。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院吳乾元、楊誠(chéng)和環(huán)境學(xué)院胡洪營(yíng)團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種基于納米尖端的水力學(xué)殺菌新機(jī)制，即平緩水流可以通過(guò)碳包覆納米尖端與細(xì)菌的色散作用有效地撕裂細(xì)菌。結(jié)合理論計(jì)算進(jìn)一步證實(shí)，sp2碳與細(xì)菌細(xì)胞膜具有強(qiáng)烈的色散相互作用，使細(xì)菌在流場(chǎng)中被納米尖端捕獲，進(jìn)而在流場(chǎng)曳力影響下對(duì)細(xì)菌產(chǎn)生撕扯而破裂細(xì)菌（圖1）。
圖1.納米尖端水力學(xué)殺菌機(jī)制原理解析
研究人員利用多孔泡沫銅制備了碳包覆納米線(xiàn)，當(dāng)受污染水樣流經(jīng)該材料時(shí)，即可對(duì)水中細(xì)菌造成嚴(yán)重的機(jī)械破損（圖2）。結(jié)合流場(chǎng)計(jì)算、細(xì)菌機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試以及細(xì)菌受力有限元模擬，證實(shí)碳包覆納米尖端的瞬時(shí)粘附-流場(chǎng)撕扯效應(yīng)能夠突破細(xì)菌的臨界應(yīng)力，而水流沖擊下細(xì)菌與納米尖端發(fā)生的碰撞作用不能破壞細(xì)菌。
該機(jī)制可有效殺滅水中的多種典型細(xì)菌，并在一個(gè)月連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中保持穩(wěn)定高效消毒。該技術(shù)利用水流動(dòng)能殺滅病原菌，無(wú)需化學(xué)試劑或額外的能量供應(yīng)，避免了二次污染問(wèn)題。研究成果可為分散式水處理以及偏遠(yuǎn)地區(qū)的飲用水安全管理提供新的策略，對(duì)其他領(lǐng)域的病原微生物控制也將具有啟發(fā)意義。
圖2. 碳包覆納米線(xiàn)制備及殺菌性能
相關(guān)研究成果近日以“納米尖端水流撕裂殺菌機(jī)制助力綠色高效消毒”（Hydrodynamic tearing of bacteria on nanotips for sustainable water disinfection）為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。
本文通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院吳乾元副教授、楊誠(chéng)副教授以及環(huán)境學(xué)院胡洪營(yíng)教授，第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2018級(jí)博士生彭露（現(xiàn)為博士后）以及2020級(jí)博士生朱浩杰，論文作者還包括清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院2019級(jí)博士生王浩彬以及清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院博士后郭鎮(zhèn)斌（現(xiàn)為深圳大學(xué)助理教授）。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、深圳市自然科學(xué)基金項(xiàng)目及清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院抗疫專(zhuān)項(xiàng)等的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-41490-5
供稿：深圳國(guó)際研究生院
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：郭玲
