當(dāng)細(xì)菌和病毒進入井水并使人們生病時，通常會在大雨或洪水之后造成污染。2000年，安大略省沃克頓的2,300多人在經(jīng)歷了異常大雨之后生病了。大腸桿菌細(xì)菌找到了飲用水井的途徑。七人死亡。

原因很簡單 - 額外的地下水將細(xì)菌掃到井中。但在微觀層面，問題更加復(fù)雜和神秘。猶他大學(xué)地球科學(xué)家威廉·約翰遜研究污染物 - 包括細(xì)菌和病毒 - 如何通過地下水。經(jīng)過多年努力解決這個問題，約翰遜找到了一個答案，可以幫助水管理者更好地準(zhǔn)備和應(yīng)對雨水和洪水造成的爆發(fā)。

答案涉及化學(xué)，物理學(xué)。。。還有一點裝飾納米科學(xué)。

來自哥倫比亞大學(xué)和厄瓜多爾的約翰遜和他的同事今天在環(huán)境科學(xué)與技術(shù)方面發(fā)表了他們的工作，并得到了國家科學(xué)基金會的支持。

分子，顆粒和膠體

地下水科學(xué)家知道，為了預(yù)測污染物移動的距離或速度，他們首先必須了解污染物在沿途粘附到沉積物顆粒的程度。許多污染物，如硝酸鹽或砷，都是由幾個原子組成的小分子。但懸浮顆粒(稱為膠體)包括病毒，細(xì)菌和原生動物比分子大數(shù)千到數(shù)百萬倍。尺寸的差異使得分子和膠體對它們周圍的力的反應(yīng)不同，就像蚊子和飛艇在它們的運動方式和它們躲避風(fēng)的能力方面的差異一樣。污染物和沉積物表面之間的實際作用力與氣球和頭發(fā)之間的靜電力以及將壁虎保持在天花板上的范德瓦爾斯力有關(guān)，膠體比分子強得多。盡管科學(xué)家對分子大小的污染物如何通過地下水進行了很好的了解，但由于尺寸差異，膠體的行為更難以確定。

因為大膠體具有有限的隨機運動，所以它們在地下水中撞擊沉積物顆粒表面的可能性實際上是可預(yù)測的，類似于預(yù)測游泳者在快速的巨石填充流中從筏中彈出的軌跡。一些膠體正在漂浮，而另一些膠體則發(fā)現(xiàn)自己在一條直接通往巨石的路線上，可能會攔截巨石。

但攔截巨石只是下水的一半，因為在找到著陸點之后，游泳者(或膠體)必須“堅持降落”。如果膠體和沉積物具有相反的電荷，則膠體在到達表面時會粘附，并且它們在地下水中的濃度是可預(yù)測的，因為它們隨著與污染源的距離呈指數(shù)下降。

但在環(huán)境中，條件通常不利于依戀。兩個表面都傾向于帶負(fù)電并相互排斥。約翰遜說，在這些條件下，膠體濃度與其源頭的距離存在螺旋關(guān)系，到目前為止，預(yù)測運輸距離幾乎是不可能的。

當(dāng)現(xiàn)有的膠體附著理論使用傳統(tǒng)的表面特性測量時，“理論認(rèn)為沒有人能夠堅持著陸，”約翰遜說。“在環(huán)境條件下，任何事物都不應(yīng)該附加。”

但顆粒確實附著。沉積物可以是一種有效的過濾器，如過去幾十年的許多實驗室實驗和現(xiàn)場實驗所示。例如，約翰遜和他的學(xué)生們在厄瓜多爾進行了實驗，他們已經(jīng)證明，在受采礦影響的河流附近挖掘通道可以使水流通過礫石岸，從而可以去除高達95%的汞。

工程膠體去除也有助于保護其他水資源，但這種工程需要準(zhǔn)確預(yù)測是否會發(fā)生“堅持著陸”。那么，是什么讓一些東西堅持沉積物(厄瓜多爾的重金屬)，但有些東西不是(大雨后的細(xì)菌)?這里是裝飾納米科學(xué)進入故事的地方。

裝飾納米科學(xué)

二十多年來，研究人員都知道膠體附著理論并不完美，因為該理論將膠體和表面都視為一種散裝物質(zhì)，具有相同的性質(zhì)。然而，在納米尺度上，無論是在形狀還是化學(xué)方面，表面都存在巨大的變化。大約10年前，馬薩諸塞大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種更簡單的方法來表示表面上不同特性的區(qū)域，類似于復(fù)活節(jié)彩蛋上的裝飾或印象派繪畫上的色塊。

約翰遜，他的研究生和同事從2014年開始進一步采用這一概念，試圖將這種“裝飾”理論與膠體在沉積物中移動的實驗相匹配。根據(jù)裝飾理論，膠體和表面在有限的相互作用區(qū)域內(nèi)相互作用，隨著膠體尺寸的增加而膨脹，并隨著離子強度的降低而擴大 - 離子強度 - 水中溶解離子的濃度。

堅持著陸取決于有吸引力的表面域是否填充了交互區(qū)的大部分，使得交互網(wǎng)具有吸引力。在有吸引力的裝飾尺寸，膠體尺寸，離子強度和水流速度的平衡中，新理論顯示了膠體如何粘附。通過改變膠體大小，離子強度和水流速度，約翰遜小組發(fā)現(xiàn)了“裝飾”的代表，它解釋了環(huán)境條件下的膠體附著。

但其他現(xiàn)象也出現(xiàn)在現(xiàn)在包含“裝飾”沉積物的模擬中 - 他和同事在他們的新論文中探討了這些現(xiàn)象。約翰遜的模擬結(jié)果顯示，一些膠體很快附著，有些膠體附著得很慢，因為它們會嗅到沉積物上的斑點，它們可以粘在它們的著陸點上。當(dāng)膠體懸浮在沉積物表面時，它們還顯示出膠體的一系列“停留時間”。

“當(dāng)你將這些停留時間固定在簡單的關(guān)系中以進行升級以預(yù)測更遠(yuǎn)距離的運輸時，”約翰遜說，“出現(xiàn)以前不可預(yù)測的膠體濃度關(guān)系作為運輸距離的函數(shù)。現(xiàn)在我們可以最終預(yù)測它們。”

值得注意的是，模擬結(jié)果也顯示了強降雨與地下水疾病爆發(fā)之間關(guān)系的潛在解釋。由于地下水巖化學(xué)作用，地下水自然具有比新鮮雨水更高的離子強度。但在大雨期間，地下水會轉(zhuǎn)移到較低的離子強度。膠體 - 表面相互作用區(qū)域擴大，這可以將整體相互作用從吸引力轉(zhuǎn)變?yōu)榕懦庑浴?ldquo;你會像在暴雨中那樣降低離子強度，”約翰遜說。“相互作用的區(qū)域擴展到超有吸引力的納米級”裝飾之外，“互動從凈吸引力轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)排斥，以及關(guān)閉的東西。” 現(xiàn)在，約翰遜說，水資源管理者有更多的工具可以預(yù)防像安大略省那樣的疾病爆發(fā)。例如， ”

約翰遜很高興看到本文中理論與實驗證據(jù)的融合，推動了他多年來一直在努力的領(lǐng)域。“我們已經(jīng)退出了一個可能具有代表性的特征。我們在更大規(guī)模上觀察到的事物從代表納米到孔隙尺度的現(xiàn)象出現(xiàn)，”他說。“對我來說，這真的令人滿意。”