Roma – La contaminazione dell’acqua da parte delle sostanze chimiche utilizzate nella tecnologia odierna è un problema in rapida crescita a livello globale. Uno studio recente dei Centers for Disease Control degli Stati Uniti ha scoperto che il 98 percento delle persone sottoposte a test presentava livelli rilevabili di PFAS, una famiglia di composti particolarmente duraturi, noti anche come sostanze chimiche eterne, nel flusso sanguigno.
Un nuovo materiale filtrante sviluppato dai ricercatori del MIT potrebbe fornire una soluzione basata sulla natura a questo problema di contaminazione ostinato. Il materiale, basato su seta naturale e cellulosa, può rimuovere un’ampia varietà di queste sostanze chimiche persistenti, nonché metalli pesanti. Inoltre, le sue proprietà antimicrobiche possono aiutare a impedire che i filtri si sporchino.
I risultati sono descritti sulla rivista ACS Nano , in un articolo del postdoc del MIT Yilin Zhang, del professore di ingegneria civile e ambientale Benedetto Marelli e di altri quattro ricercatori del MIT.
Le sostanze chimiche PFAS sono presenti in un’ampia gamma di prodotti, tra cui cosmetici, imballaggi alimentari, indumenti impermeabili, schiume antincendio e rivestimenti antiaderenti per pentole. Uno studio recente ha identificato 57.000 siti contaminati da queste sostanze chimiche solo negli Stati Uniti. L’Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti ha stimato che la bonifica da PFAS costerà 1,5 miliardi di dollari all’anno, per soddisfare le nuove normative che richiedono di limitare il composto a meno di 7 parti per trilione nell’acqua potabile.
La contaminazione da PFAS e composti simili “è in realtà un grosso problema e le soluzioni attuali potrebbero risolvere solo in parte questo problema in modo molto efficiente o economico”, afferma Zhang. “Ecco perché abbiamo ideato questa soluzione completamente naturale a base di proteine e cellulosa”, afferma.
“Siamo arrivati al progetto per caso”, nota Marelli. La tecnologia iniziale che ha reso possibile il materiale di filtrazione è stata sviluppata dal suo gruppo per uno scopo completamente diverso: creare un sistema di etichettatura per contrastare la diffusione di semi contraffatti, spesso di qualità inferiore. Il suo team ha ideato un modo per elaborare le proteine della seta in cristalli uniformi su scala nanometrica, o “nanofibrille”, tramite un metodo di fusione a goccia a base d’acqua, rispettoso dell’ambiente, a temperatura ambiente.
Zhang ha suggerito che il loro nuovo materiale nanofibrillare potrebbe essere efficace nel filtrare i contaminanti, ma i tentativi iniziali con le sole nanofibrille di seta non hanno funzionato. Il team ha deciso di provare ad aggiungere un altro materiale: la cellulosa, che è abbondantemente disponibile e può essere ottenuta dagli scarti di polpa di legno agricola. I ricercatori hanno utilizzato un metodo di autoassemblaggio in cui la proteina fibroina della seta viene sospesa in acqua e poi trasformata in nanofibrille inserendo “semi” di nanocristalli di cellulosa. Ciò fa sì che le molecole di seta precedentemente disordinate si allineino insieme lungo i semi, formando la base di un materiale ibrido con nuove proprietà distinte.
Integrando la cellulosa nelle fibrille di seta che potevano essere trasformate in una sottile membrana e regolando poi la carica elettrica della cellulosa, i ricercatori hanno prodotto un materiale altamente efficace nella rimozione dei contaminanti nei test di laboratorio.
Hanno scoperto che la carica elettrica della cellulosa le conferiva anche forti proprietà antimicrobiche. Questo è un vantaggio significativo, poiché una delle cause principali di fallimento delle membrane di filtrazione è l’incrostazione da parte di batteri e funghi. Le proprietà antimicrobiche di questo materiale dovrebbero ridurre notevolmente il problema dell’incrostazione, affermano i ricercatori.
“Questi materiali possono davvero competere con gli attuali materiali standard nella filtrazione dell’acqua quando si tratta di estrarre ioni metallici e questi contaminanti emergenti, e possono anche superare alcuni di essi attualmente”, afferma Marelli. Nei test di laboratorio, i materiali sono stati in grado di estrarre ordini di grandezza in più di contaminanti dall’acqua rispetto ai materiali standard attualmente utilizzati, carbone attivo o carbone attivo granulare.
Sebbene il nuovo lavoro serva da prova di principio, afferma Marelli, il team ha in programma di continuare a lavorare per migliorare il materiale, soprattutto in termini di durata e disponibilità dei materiali di origine. Mentre le proteine della seta utilizzate possono essere disponibili come sottoprodotto dell’industria tessile della seta, se questo materiale dovesse essere ampliato per soddisfare le esigenze globali di filtrazione dell’acqua, la fornitura potrebbe essere insufficiente. Inoltre, materiali proteici alternativi potrebbero rivelarsi in grado di svolgere la stessa funzione a un costo inferiore.
Inizialmente, il materiale verrebbe probabilmente utilizzato come filtro point-of-use, qualcosa che potrebbe essere attaccato a un rubinetto della cucina, dice Zhang. Alla fine, potrebbe essere ampliato per fornire filtrazione per le forniture idriche comunali, ma solo dopo che i test dimostreranno che ciò non porrebbe alcun rischio di introdurre alcuna contaminazione nella fornitura idrica. Ma un grande vantaggio del materiale, dice, è che sia la seta che i costituenti della cellulosa sono considerati sostanze di qualità alimentare, quindi qualsiasi contaminazione è improbabile.
“La maggior parte dei materiali normali disponibili oggi si concentrano su una classe di contaminanti o risolvono singoli problemi”, afferma Zhang. “Penso che siamo tra i primi ad affrontare tutti questi aspetti contemporaneamente”.
Il team di ricerca comprendeva i postdoc del MIT Hui Sun e Meng Li, lo studente laureato Maxwell Kalinowski e il neolaureato Yunteng Cao PhD ’22, ora postdoc a Yale. Il lavoro è stato supportato dall’Office of Naval Research, dalla National Science Foundation e dalla Singapore-MIT Alliance for Research and Technology.(30Science.com)
