Ученые создали антибактериальные стеклянные фильтры

Исследователи из Дагестанского государственного университета (ДГУ) совместно с коллегами из других российских вузов разработали технологию, превращающую обычные стеклянные шарики в мощное оружие против бактерий и органических загрязнителей. Созданные ими стеклянные фильтры убивают бактерии и самоочищаются под действием солнечного света.

В отличие от традиционных фильтров, накапливающих загрязнения или требующих замены картриджей, предложенное решение основано на принципе фотокатализа. При облучении светом на поверхности нанопокрытия TiₓVᵧO₂ образуются активные формы кислорода (ROS), которые эффективно уничтожают бактериальные клетки и разлагают органические загрязнители.

«Наши материалы работают как фотокатализаторы. При воздействии света нанопокрытие запускает химические реакции, которые разрушают бактерии и другие загрязнители. При этом сам фильтрующий материал не расходуется и может использоваться многократно», — рассказала руководитель проекта, старший преподаватель кафедры физической и органической химии ДГУ, кандидат химических наук Абай Максумова.

Исследователи использовали метод атомно-слоевого осаждения (ALD), чтобы нанести на поверхность стекла сверхтонкую пленку — в тысячи раз тоньше человеческого волоса. Эта пленка, состоящая из оксидов титана и ванадия, обладает фотокаталитическими свойствами: под воздействием света она запускает химические реакции, разрушающие патогенные микроорганизмы и органические молекулы.

Ключевое преимущество технологии — использование в качестве подложки стеклянных шариков, которые уже применяются в системах водоочистки. Это делает разработку легко интегрируемой в существующие промышленные установки.

Впервые в мире исследователям удалось вырастить нанослой TiₓVᵧO₂ на предварительно нанесенный зародышевый слой ALD Al₂O₃ на стекле. Для анализа структуры и состава полученного покрытия использовались современные методы: сканирующая электронная микроскопия (SEM), энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDX) и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS). Последняя позволила впервые получить уникальные данные о химическом состоянии элементов в нанопокрытии.

«Это первое исследование, в котором комплексно изучается фотокаталитическая активность, антибактериальная эффективность и влияние на гидрохимические параметры питьевой воды с использованием стеклянных фильтров, функционализированных нанопокрытием ALD TiₓVᵧO₂», — отметила Абай Максумова.

Для создания покрытия ученые выбрали галогенидные прекурсоры — TiCl₄, VOCl₃ и воду. Такой выбор не случаен: эти соединения обладают достаточным давлением пара при комнатной температуре и легко переходят в газовую фазу при умеренном нагреве. Кроме того, они значительно экономичнее металлоорганических аналогов, что делает процесс ALD легко масштабируемым и пригодным для интеграции в существующие промышленные системы очистки воды. Разработка особенно актуальна для регионов с ограниченным доступом к качественной питьевой воде. Фильтры с нанопокрытием могут стать основой современных многоразовых систем очистки как питьевой, так и сточной воды.

Авторы отмечают еще одну особенность технологии — возможность точной настройки свойств покрытия. Изменяя состав оксидов металлов и толщину нанопленки, можно создавать фильтры, эффективные против конкретных штаммов микроорганизмов.

Исследователи рассматривают возможность создания экспериментального реактора по типу SODIS-систем, который использует солнечный свет для дезинфекции воды. Ученые также работают в других направлениях: помимо стеклянных шариков для водяных фильтров, команда создает нанопокрытия для керамических и полимерных мембран, а также для воздушных фильтров на основе тканевых и бумажных материалов.

Работа выполнена междисциплинарным коллективом ученых из Махачкалы (ДГУ и ДГМУ), Нижнего Новгорода (ННГУ) и Санкт-Петербурга (СПбГУ). Проект является частью программы развития ДГУ как участника программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации