Человеку нужна вода. Иногда много. Питьевая вода вообще необходима для поддержания жизни и имеет первостепенное значение для здоровья.

Между тем по данным ООН, почти половина населения планеты страдает от нехватки воды. По оценкам экспертов, более 780 миллионов человек во всем мире не имеют доступа к чистой питьевой воде, а 1,7 миллиарда нуждаются в пресной. Ежегодно тысячи людей умирают из-за отсутствия чистой воды и антисанитарных условий. Большинство из них дети.

Несомненно, питьевая вода важна для здоровья, однако традиционные методы дезинфекции нередко создают экологические проблемы. Например, хлор – дешевый и простой в использовании в централизованных системах водоснабжения – небезопасен в производстве и смертелен при авариях.

Зарядка для воды

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.

Дело в том, что 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 кратковременные импульсы не заряжают мембрану достаточно быстро, чтобы убить бактерии.

Американские ученые 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.

«Электрический стул» для микроба

Чтобы проверить технологию, специалисты изготовили специальный чип с золотыми наноклиньями по краю электрода и добавили на него модельные бактерии Staphylococcus, которые часто встречаются в системах водоснабжения. Затем они 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 миллион раз.

По словам ученых, такое сверхбыстрое уничтожение бактерий только с помощью наносекундных импульсов было неожиданным. Теоретически такие импульсы слишком коротки, чтобы убить бактерии при обычной обработке электрическим полем, а для зарядки мембраны требуется время. Но с наноклиньями и структурами LEEFT клетки бактерий могут заряжаться непосредственно металлом, быстро дезинфицируя воду.

Почти мгновенное уничтожение бактерий снижает количество электроэнергии, необходимой для дезинфекции воды, что делает его более доступным вариантом. Вполне возможно, в будущем такая технология будет широко распространена, а благодаря ей производство чистой воды может меньше вредить окружающей среде.