Безопасная питьевая вода важна для здоровья, но традиционные методы дезинфекции создают экологические проблемы. Например, хлор дешевый и простой в использовании в централизованных системах водоснабжения, но его производство небезопасно, а выбросы при авариях — смертельно опасны для человека.

Исследователи Технологического института Джорджии нашли способ использовать небольшие разряды электричества для дезинфекции воды. Технология дешевая, безопасная, с нулевым воздействием на окружающую среду, может быть интегрирована в электросеть или питаться от батарей.

Обычная обработка электрическим полем (CEFT) применяется для пастеризации пищевых продуктов, но ее не используют для дезинфекции питьевой воды из-за дороговизны. Когда вода и бактерии подвергаются воздействию электричества, клеточная мембрана бактерий действует как конденсатор в цепи. Как правило, при обычной обработке электрическим полем из-за низкой проводимости воды наносекундные импульсы не заряжают мембрану достаточно быстро, чтобы убить бактерии.

Исследователи создали локально усиленное электрическое поле (LEEFT), которое доставляет электричество непосредственно к бактериям. Электроды имеют золотые наноконцы, которые мгновенно создают концентрированные заряды при подключении к электричеству, что позволяет им перемещаться к мембране и намного быстрее убивать бактерии.

Чтобы проверить технологию, ученые изготовили специальный чип с золотыми наноклиньями по краю электрода и добавили на него модельные бактерии Staphylococcus, которые часто встречаются в системах водоснабжения. Затем исследователи применили электрические импульсы и наблюдали за реакцией бактерий в режиме реального времени под микроскопом.

При подаче электричества напряжением 40 киловольт на сантиметр в течение 200 наносекунд 95% наноклиньев успешно убили все бактерии. По сравнению с обычной обработкой электрическим полем, LEEFT снижает напряженность приложенного электрического поля в восемь раз и сокращает время обеззараживания в 1 миллион раз.

По словам ученых, такое сверхбыстрое уничтожение бактерий только с помощью наносекундных импульсов было неожиданным. Теоретически наносекундные импульсы слишком коротки, чтобы убить бактерии при обычной обработке электрическим полем, а для зарядки мембраны требуется время. Но с наноклиньями и наноструктурами LEEFT клетки бактерий могут заряжаться непосредственно нанометаллом, быстро дезинфицируя воду. Почти мгновенное уничтожение бактерий снижает количество электроэнергии, необходимой для дезинфекции воды, что делает его более доступным вариантом. В будущем благодаря этой технологии производство чистой воды может меньше вредить окружающей среде.