Kropki kwantowe kontra "wieczne chemikalia"

Substancje per- i polifluoroalkilowe (PFAS) to klasa obejmująca około 15 tys. związków chemicznych, które zawierają wyjątkowo trwałe wiązania węgiel-fluor. PFAS nazywane są często "wiecznymi chemikaliami", ponieważ dzięki mocnym wiązaniom wolno się rozkładają i z tego powodu kumulują w środowisku, a także w ludzkich tkankach. Są odporne na wysokie temperatury, a pokryte nimi powierzchnie odpychają wodę i tłuszcz, dlatego znalazły szerokie zastosowanie w materiałach do pakowania żywności, papierze toaletowym, tkaninach wodoodpornych i odpornych na plamy, naczyniach kuchennych czy gaśnicach.

Ze względu na trwałość i rozpowszechnienie, a także szkodliwość dla zdrowia wielu spośród PFAS trwają badania nad metodami ich eliminowania ze środowiska. Jednak większość metod niszczenia takich cząsteczek wymaga wysokiej temperatury (ponad 400 stopni Celsjusza) lub ciśnienia.

Tymczasem naukowcom z Ritsumeikan University (Japonia) udało się rozłożyć PFAS przy użyciu zwykłych diod LED emitujących światło widzialne oraz kropek kwantowych (QD), czyli półprzewodnikowych nanokryształów o właściwościach pośrednich między półprzewodnikami i cząstkami kwantowymi. Elektrony w kropkach kwantowych pochłaniają określone długości fal światła, co wprowadza je w stan wzbudzenia dając im większy potencjał do zrywania silnych wiązań występujących w PFAS.

Do testów użyto roztworów zawierających dwa różne PFAS: perfluorooktanosulfonian (PFOS), szeroko rozpowszechniony i trudny do degradacji związek stosowany w piance gaśniczej i patelniach nieprzywierających, oraz jeszcze trudniejszy do zniszczenia Nafion - polimer mający wiele wiązań węgiel-fluor, stosowany do wytwarzania membran przemysłowych i ogniw paliwowych. Kropki kwantowe wykonano z siarczku kadmu i miedzi.

Wystarczyło 8 godzin działania światła LED w temperaturze pokojowej i pod ciśnieniem atmosferycznym, aby wszystkie wiązania węgiel-fluor w PFOS uległy rozpadowi. W przypadku Nafionu po 24 godzinach pękło nieco ponad 80 proc. takich wiązań.

Zdaniem autorów badania (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202408687) rozpad wiązań węgiel-fluor następuje, gdy wolne elektrony z kropek kwantowych przenoszą się na PFAS na nanokryształach lub w ich bezpośrednim sąsiedztwie. Te wolne elektrony niszczą następnie wiązanie węgiel-fluor poprzez reakcję redukcji, uwalniając jony fluorowe.

Na razie nie wiadomo, jak zadziałałaby metoda przy niższych stężeniach PFAS występujących w środowisku, ani czy reakcja zachodziłaby równie wydajnie na większą skalę i z innymi rodzajami PFAS. Dlatego daleko jeszcze do ewentualnego praktycznego wykorzystania podobnych metod.

Paweł Wernicki