Vil rense drikkevann med sollys
– De alvorligste sykdommene som følger med bakterier i drikkevann, er tyfoidfeber og kolera, forteller professor Gunnar Bjune i internasjonal helse ved Universitetet i Oslo.
Nå har professor Truls Norby ved Senter for materialvitenskap og nanoteknologi (SMN) fått ideen til hvordan man kan drepe bakterier i drikkevann ved å la vannet sildre over et av verdens mest kjente nanomaterialer, med sollys som den eneste energikilden.
Denne enkle formen for vannrensing behøver verken strøm eller påfyll av kjemikaler og kan derfor bli en billig og enkel rensemetode for befolkningen på den afrikanske landsbygda.
Truls Norby ønsker å forske på dette sammen med australske forskere ved universiteter i Sydney.
Samtalene er i gang. Norby venter nå på at Forskningsrådet eller EU tilbyr finansiering gjennom et program som passer for denne type forskning.
Det perfekte materialet
Vannet skal renses med nanomaterialet titanoksid.
– Titanoksid er det perfekte materialet til vannrensing. Det har en fantastisk overflate som absorberer solstråler.
Titanoksid brukes allerede i fargestoffer og solkrem. Vi vil bruke materialet til å bryte ned organiske materialer og bakterier i vann, forteller Truls Norby.
Når lyset treffer overflaten, skjer en fotokjemisk reaksjon. Da dannes et bakteriedrepende stoff som kalles peroksid.
Peroksider brukes verden over til å desinfisere toaletter. Stoffet er ustabilt og brytes ned igjen til oksygen og vann.
– Stoffet er sånn sett ufarlig.
For å forstå mer om hvordan lys og titanoksid skaper disse bakteriedrepende stoffene, er forskerne nødt til å forstå mer om hva som skjer på overflaten.
Utnytter defektene
Overflaten på titanoksid er ikke perfekt. På overflaten er bindingene i krystallstrukturen brutt. Det fører til en rekke defekter.
Det er nettopp i disse defektene at fotokjemien og vannrensingen skal skje. Problemet er at forskerne vet for lite om disse defektene i dag.
– Selv om titanoksid er et av de mest kjente og mest studerte nanomaterialene i verden, med hundrevis av vitenskapelige publikasjoner hvert år, er det gjort lite fremskritt i forskningen. Det er fortsatt mange ukjente sider ved materialet.
– Hvis man ikke forstår disse defektene, leter man i blinde etter hvordan man skal gjennomføre vannrensingen.
Da blir det mange feilaktige tolkninger. Vi er nå på sporet etter en ny måte å forstå disse defektene på, forteller Truls Norby.
Det sentrale i forskningen hans er å vise hvilke defekter som er fremtredende på overflaten, ved hjelp av teori og eksperimenter.
Titanoksid består både av titanioner og oksidioner. Det har vært vanlig å anta at overflaten mangler oksidioner.
Truls Norby mener i stedet at overflaten mangler titanioner, og at det nettopp er denne typen defekt som fører til de fotokjemiske reaksjonene.
Når lyset treffer overflaten, overføres energien fra hver lyspartikkel til et elektron. Da får elektronet nok energi til å bevege seg fritt.
Da dannes det et elektronhull. Disse hullene samhandler både med oksidionene og vannmolekylene.
Da skapes det spesielle stoffet peroksid, som dreper bakterier, og som etter kort tid blir til vann og oksygen igjen.
Elektronene går til et annet punkt på overflaten og bruker oksygenet til å danne vann.
– Kretsen er lukket, materialet forbrukes ikke, og overflaten holder seg stabil. Titanoksid vil derfor være en stabil nanomaskin, der den kjemiske prosessen gjentar seg hele tiden.
Forklarer overflaten med innsiden
Forskerne har en stor utfordring. Det er svært vanskelig å observere atomer og strukturer på overflater.
For å gjette hvordan overflaten ser ut, må forskerne som oftest bruke kunnskapen om hvordan materialet ser ut innenifra.
For paradoksalt nok er det enklere å studere nanomaterialer fra innsiden enn å studere dem på overflaten.
For å se materialet innenifra kan forskerne bruke elektronmikroskop.
Det gjøres ved å sende elektronstråler eller røntgenstråler igjennom materialet og tolke det som kommer ut statistisk. De bruker også simuleringer.
En annen mulighet er å studere overflaten med spektroskopi. Da undersøker man lyset eller den elektromagnetiske strålingen som reflekteres fra overflaten.
Nok titanoksid
Det er mer enn nok titanoksid i verden til å produsere nok vannrensingsanlegg.
– Titan hentes fra ganske vanlige bergarter som ilmenitt, forklarer Truls Norby. Han ønsker å fremheve at den forbedrete vannrensingen fortsatt er på idéstadiet.
– Vi antar at det vil fungere. Dette er en idé vi tror på, sier nanoforskeren.
