作者特蕾莎·杜克，劳伦斯·伯克利国家实验室 左起:一个ZIOS网络示意图；和硅晶片上紫铜样品的扫描电子显微镜图像
学分:伯克利实验室 我们依靠水来解渴和灌溉肥沃的农田
但是当曾经纯净的水被废弃铜矿的废水污染时，你会怎么做呢？ 一个有前途的解决方案依赖于通过一种叫做吸附的分离过程从废水中捕获重金属原子的材料，例如铜离子
但是商业上可获得的铜离子捕获产品仍然缺乏化学特异性和负载能力来精确地从水中分离重金属
现在，由能源部劳伦斯·伯克利国家实验室(伯克利实验室)领导的一组科学家设计了一种新材料ZIOS(锌咪唑水杨醛肟)，它以前所未有的精度和速度瞄准并捕获废水中的铜离子
在最近发表在《自然通讯》杂志上的一篇论文中，科学家们表示，ZIOS为水行业和研究界提供了第一个水修复技术的蓝图，该技术可以清除特定的重金属离子，并在原子水平上进行控制，远远超过当前的技术水平
“ZIOS具有很高的吸附能力和迄今为止已知的最快的铜吸附动力学——合二为一，”资深作者杰夫·厄本说，他是伯克利实验室分子铸造厂无机纳米结构设施的负责人
这项研究体现了分子铸造公司的标志性工作——在纳米尺度(十亿分之一米)上优化材料的设计、合成和表征，以用于医学、催化、可再生能源等领域的复杂新应用
例如，厄本将他的大部分研究集中在用于各种应用的超硬材料和软材料的设计上，从低成本的海水淡化到用于可再生能源应用的自组装二维材料
“我们在这里试图模仿的是大自然完成的复杂功能，”比如当组成细菌细胞的蛋白质选择某些金属来调节细胞代谢时，主要作者恩哥克·比说，他是伯克利实验室分子铸造厂的前博士后研究员，现在是俄克拉荷马大学化学、生物和材料工程的助理教授
“ZIOS帮助我们只选择和去除铜，一种与疾病和器官衰竭有关的水中污染物，而不去除所需的离子，如营养物质或必需矿物质，”她补充说
在原子水平上的这种特异性也可能导致更廉价的水处理技术，并有助于贵金属的回收
“今天的水处理系统是‘批量分离技术’——它们提取所有溶质，不管它们的危害或价值如何，”合著者彼得·菲斯克说，他是NAWI国家水创新联盟和伯克利实验室水能恢复研究所的主任
“高选择性、耐用的材料能够捕获特定的痕量成分，而不会被其他溶质所拖累，也不会随着时间而分解，这对于降低水处理的成本和能耗至关重要
它们也能使我们“开采”废水中有价值的金属或其他微量成分
" 在原子水平上清除重金属 厄本、布伊和合著者报告说，ZIOS晶体在水中高度稳定——长达52天
与金属有机框架不同，这种新材料在酸性溶液中表现良好，酸性废水的酸碱度范围相同
此外，研究人员说，ZIOS选择性捕获铜离子的速度比最先进的铜吸附剂快30-50倍
这些结果出乎我的意料
“起初我认为这是一个错误，因为ZIOS晶体的表面积非常低，根据传统观点，一种材料应该具有高比表面积，就像其他种类的吸附剂一样，如金属有机框架或多孔芳香框架，以具有高吸附能力和极快的吸附动力学，”她说
“所以我想，‘也许水晶内部正在发生更有活力的事情
" 为了找到答案，她在合著者康的帮助下，在分子铸造厂进行了分子动力学模拟
康是伯克利实验室分子铸造厂城市实验室的研究生研究员，博士
D
加州大学伯克利分校机械工程系的学生
康的模型显示，当ZIOS浸泡在水环境中时，“工作起来像海绵，但结构更有条理，”Bui说
“与海绵吸水并向任意方向扩张其结构不同，ZIOS吸附水分子时会向特定方向扩张
" 伯克利实验室高级光源的x光实验显示，这种材料的微小孔隙或纳米通道——只有水分子大小的2-3埃——在浸入水中时也会膨胀
Bui解释说，这种膨胀是由“氢键网络”触发的，氢键网络是由ZIOS与周围的水分子相互作用产生的。
纳米通道的这种扩展允许携带铜离子的水分子以更大的规模流动，在此期间，铜离子和ZIOS之间发生了一种被称为“配位键”的化学反应
额外的x光实验表明，在低于3的酸碱度下，ZIOS对铜离子具有高度选择性——这是一个重要的发现，因为酸性矿井排水的酸碱度通常为4或更低
此外，研究人员说，当水从材料中去除时，其晶格结构在不到1纳秒(十亿分之一秒)内收缩到原始尺寸
合著者罗伯特·科斯泰基将该团队的成功归因于他们的跨学科方法
“从天然和产出水中选择性提取元素和矿物质是一个复杂的科学和技术问题，”他说
“在这项研究中，我们利用伯克利实验室在纳米科学、环境科学和能源技术方面的独特能力，将基础材料科学发现转化为具有巨大现实影响潜力的技术
“科斯泰基是伯克利实验室能源技术领域的能源存储和分布式资源部门的主管，材料和制造R&D主题领域在NAWI处于领先地位
研究人员接下来计划探索选择性去除其他污染物的新设计原则
“在水科学和水工业中，许多材料系列被设计用于净化废水，但是很少被设计用于从酸性矿井排水中去除重金属
我们希望ZIOS能帮助改变这种情况，”厄本说
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