Giản đồ của một thiết bị xử lí chất thải: các kết quả tán xạ neutron góc nhỏ cho thấy các hạt silic bị tráng chất hoạt tính bề mặt (màu xanh) sẽ chìm xuống trong khi những hạt nano không tráng (màu vàng) thì vẫn lơ lửng.
Các nhà khoa học ở Anh vừa sử dụng các nghiên cứu tán xạ neutron để phát triển một phương pháp mới tách các hạt nano silic ra khỏi nước thải – cái có thể giúp ngăn hàng triệu tấn hạt nano đi vào hệ thống cống thải mỗi năm.
Với đường kính chỉ vài phần chục của nano mét, những quả cầu silic ấy đang được sử dụng ngày càng nhiều trong các sản phẩm thương mại như mĩ phẩm, thuốc men, chất tẩy rửa và cả trong thực phẩm. Kết quả là các nhà máy xử lí chất thải trở thành một cửa ngõ quan trọng cho các hạt nano đi vào môi trường dưới dạng nhánh, bùn đặc đã xử lí, hoặc cả hai. Mặc dù không có bằng chứng cho thấy những hạt nano ấy mang lại mối đe dọa về môi trường, nhưng số phận cuối cùng của chúng là một bí ẩn, vì từ trước đến nay người ta không thể theo dõi sự có mặt của chúng trong chất thải.
Nay các nhà khoa học ở Trung tâm Thủy học và Sinh thái học (CEH) và nguồn neutron ISIS vừa vượt qua chướng ngại này, sử dụng sự tán xạ neutron góc nhỏ (SANS) – một kĩ thuật thường dùng để nghiên cứu nhiều cấu trúc cỡ nano mét. SANS bắn một chùm neutron năng lượng thấp qua một mẩu chất và đo cường độ neutron lệch những góc nhỏ so với chùm tia truyền qua.
một vài nano mét, và có thể định lượng nồng độ, kích cỡ, hình dạng và sự kết tập của các hạt nao”.
Các nhà khoa học đã tái tạo các điều kiện tìm thấy trong một nhà máy xử lí chất thải tiêu biểu – vi khuẩn và mọi thứ - và khảo sát xem các hạt nano silic có vẫn lơ lửng trong chất lỏng, hay là chìm vào trong bùn cặn.
Đội đã nghiên cứu các hạt nano trần và một số hạt có tráng một chất hoạt tính bề mặt thường tìm thấy trong các sản phẩm thương mại. Trong khi các hạt nano trần vẫn lơ lửng, thì các hạt tráng tương tác với các thành phần của chất thải và nhanh chóng hình thành nên một bùn cặn dạng rắn. Các nhà nghiên cứu đã lặp lại các thí nghiệm trong nước tinh khiết, và nhận thấy cả hạt trần lẫn hạt tráng đều phân tán rải rác.
Các phép đo SANS còn giúp đội khoa học nghiên cứu cơ chế dẫn tới sự kết tập nhanh chóng và sự tích đọng của các hạt bị tráng. “Các thí nghiệm của chúng tôi cho thấy mạnh mẽ rằng hiện tượng này phải được trung gian bởi các tương tác giữa các phân tử hoạt tính bề mặt bị hấp thụ và vật chất hữu cơ có trong chất thải”, King nói. “Những cơ chế kết tập khác, ví dụ như những cơ chế xúc tiến bởi sự điện phân, tác dụng ở những cỡ thời gian lớn hơn nhiều”.
Sự khác biệt hành trạng giữa những hạt nano bị tráng và những hạt nano trần có nghĩa là chúng có thể tách riêng ra trong các nhà máy xử lí sơ bộ. Điều này mở ra khả năng điều khiển số phận môi trường của các hạt nano ở giai đoạn sản xuất. “Nghiên cứu của chúng tôi chứng tỏ rằng tính chất hóa học bề mặt của các hạt nano ảnh hưởng đến việc loại bỏ chúng trong khâu xử lí chất thải thô”, theo Helen Jarvie ở CEH. “Bằng cách thêm lớp tráng làm thay đổi tính chất hóa học bề mặt, người ta có thể định hình lại hành trình của chúng trong các nhà máy xử lí chất thải”.
Richard Owen, Trưởng ban Đánh giá Rủi ro Môi trường tại trường Đại học Westminster, thật ấn tượng trước công trình trên. “Các tác giả đã chứng tỏ được tầm quan trọng của việc tìm hiểu những mối liên hệ giữa chức năng bề mặt của các hạt nano và cách thức chúng hành xử trong môi trường tự nhiên và nơi cuối cùng chúng đi đến” ông nói. “Điều này thật quan trọng nếu chúng ta muốn phát triển các mô hình tiên đoán số mệnh và hành trạng giúp chúng ta tìm hiểu những rủi ro mà các hạt nano đã qua xử lí kĩ thuật mang lại cho môi trường”.
Jarvie phát biểu với physicsworld.com rằng đội của bà đang có kế hoạch tiếp tục nghiên cứu của họ, sử dụng SANS, bằng cách khảo sát nhiều loại hạt nano hơn, với những họ chất hoạt tính bề mặt khác nhau.