การตกแต่ง

เหตุผลดูตรงไปตรงมา -- น้ำใต้ดินส่วนเกินจะพัดพาแบคทีเรียไปยังบ่อน้ำ แต่ในระดับจุลภาค ประเด็นนี้ซับซ้อนและลึกลับกว่านั้น วิลเลียม จอห์นสัน นักธรณีศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยยูทาห์ ศึกษาว่าสารปนเปื้อน รวมถึงแบคทีเรียและไวรัส เคลื่อนที่ผ่านน้ำใต้ดินได้อย่างไร หลังจากทำงานแก้ไขปัญหานี้มาหลายปี จอห์นสันพบคำตอบที่สามารถช่วยผู้จัดการน้ำในการเตรียมตัวและรับมือกับโรคระบาดที่เกิดจากฝนและน้ำท่วมได้ดีขึ้น คำตอบเกี่ยวข้องกับเคมี ฟิสิกส์ . . และนาโนศาสตร์เพื่อการตกแต่งเล็กน้อย จอห์นสันและเพื่อนร่วมงานจากมหาวิทยาลัยโคลัมเบียและเอกวาดอร์ได้ตีพิมพ์ผลงานของพวกเขาในวันนี้ในวารสารวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสิ่งแวดล้อมและได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ โมเลกุล อนุภาค และคอลลอยด์ นักวิทยาศาสตร์ด้านน้ำบาดาลรู้ว่าการจะทำนายว่าสารปนเปื้อนจะเคลื่อนที่ได้ไกลหรือเร็วเพียงใด ก่อนอื่นพวกเขาต้องเข้าใจว่าสารปนเปื้อนนั้นเกาะติดกับตะกอนระหว่างทางได้ดีเพียงใด สารปนเปื้อนหลายชนิด เช่น ไนเตรตหรือสารหนู เป็นโมเลกุลขนาดเล็กที่ประกอบด้วยอะตอมเพียงไม่กี่อะตอม แต่อนุภาคแขวนลอย (เรียกว่าคอลลอยด์) รวมถึงไวรัส แบคทีเรีย และโปรโตซัว มีขนาดใหญ่กว่าโมเลกุลหลายพันถึงล้านเท่า ความแตกต่างของขนาดทำให้โมเลกุลและคอลลอยด์ตอบสนองต่อแรงต่างๆ รอบตัวต่างกัน ในลักษณะเดียวกับที่ยุงและเรือเหาะต่างกันตรงที่การเคลื่อนที่ตามยถากรรมของพวกมัน และความสามารถในการหลบซ่อนจากลม แรงที่เกิดขึ้นจริงระหว่างสารปนเปื้อนและพื้นผิวของตะกอนนั้นสัมพันธ์กับแรงไฟฟ้าสถิตระหว่างลูกโป่งและเส้นผม และแรงแวนเดอร์วาลส์ที่จับตุ๊กแกไว้บนเพดาน ซึ่งมีความแข็งแรงสำหรับคอลลอยด์มากกว่าโมเลกุล แม้ว่านักวิทยาศาสตร์จะมีความคิดที่ดีเกี่ยวกับวิธีที่สารปนเปื้อนขนาดโมเลกุลเคลื่อนที่ผ่านน้ำใต้ดิน แต่พฤติกรรมของคอลลอยด์นั้นยากต่อการระบุเนื่องจากความแตกต่างของขนาด เนื่องจากคอลลอยด์ขนาดใหญ่มีการเคลื่อนที่แบบสุ่มจำกัด ความเป็นไปได้ที่พวกมันจะชนพื้นผิวเม็ดตะกอนในน้ำใต้ดินจึงเป็นสิ่งที่คาดเดาได้ คล้ายกับการทำนายวิถีการเคลื่อนที่ของนักว่ายน้ำที่พุ่งออกจากแพในกระแสน้ำที่เต็มไปด้วยหินอย่างรวดเร็ว คอลลอยด์บางตัวลอยผ่านในขณะที่คอลลอยด์บางตัวที่พบว่าตัวเองอยู่ในเส้นทางที่มุ่งหน้าไปยังก้อนหินโดยตรง มีแนวโน้มที่จะสกัดกั้นก้อนหิน แต่การสกัดกั้นก้อนหินนั้นเป็นเคล็ดลับเพียงครึ่งเดียวในการขึ้นจากน้ำ เนื่องจากหลังจากพบจุดลงจอดแล้ว นักว่ายน้ำ (หรือคอลลอยด์) จะต้อง "เกาะจุดลงจอด" หากคอลลอยด์และตะกอนมีประจุไฟฟ้าตรงข้ามกัน คอลลอยด์จะเกาะเมื่อกระทบพื้นผิว และคาดการณ์ความเข้มข้นของคอลลอยด์ในน้ำใต้ดินได้เนื่องจากค่าคอลลอยด์จะลดลงแบบทวีคูณตามระยะห่างจากแหล่งกำเนิดการปนเปื้อน แต่ในสภาพแวดล้อม เงื่อนไขต่างๆ มักจะไม่เอื้ออำนวยต่อการยึดติด พื้นผิวทั้งสองมักจะมีประจุลบและผลักกัน ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ จอห์นสันกล่าวว่า ความเข้มข้นของคอลลอยด์มีความสัมพันธ์ที่ผิดเพี้ยนกับระยะทางจากแหล่งที่มา ซึ่งจนถึงขณะนี้ ทำให้การคาดคะเนระยะทางในการขนส่งเป็นไปไม่ได้เลย เมื่อการวัดคุณสมบัติพื้นผิวแบบดั้งเดิมถูกนำมาใช้ในทฤษฎีการแนบคอลลอยด์ที่มีอยู่ "ทฤษฎีตัดสินว่าไม่มีใครเกาะติด" จอห์นสันกล่าว "ไม่มีอะไรควรยึดติดภายใต้สภาพแวดล้อม" แต่อนุภาคจะแนบ ตะกอนสามารถเป็นตัวกรองที่มีประสิทธิภาพดังที่แสดงไว้ในการทดลองในห้องปฏิบัติการและการทดลองภาคสนามในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา ตัวอย่างเช่น จอห์นสันและนักเรียนของเขาได้ทำการทดลองในเอกวาดอร์ ซึ่งพวกเขาได้แสดงให้เห็นว่าการขุดร่องน้ำที่อยู่ติดกับแม่น้ำที่ได้รับผลกระทบจากการทำเหมืองจะทำให้น้ำไหลผ่านตลิ่งกรวด ซึ่งช่วยขจัดสารปรอทได้ถึง 95 เปอร์เซ็นต์ การกำจัดคอลลอยด์ทางวิศวกรรมสามารถช่วยปกป้องแหล่งน้ำอื่นๆ ได้เช่นกัน แต่วิศวกรรมดังกล่าวจะต้องมีการคาดการณ์ที่แม่นยำว่าจะเกิด แล้วอะไรทำให้ของบางอย่างติดตะกอน (โลหะหนักในเอกวาดอร์) แต่บางอย่างไม่ติด (แบคทีเรียหลังฝนตกหนัก) นี่คือที่มาของนาโนศาสตร์เพื่อ การตกแต่ง https://d1bbnjcim4wtri.cloudfront.net/wp-content/uploads/2018/06/05115629/Jun-05-2018-11-52-31.gif " alt="" width="301" height="224" />วิดีโอนี้แสดงการทดลอง (ซ้าย) และการจำลอง (ขวา) ของการติดคอลลอยด์กับเม็ดตะกอนภายใต้เงื่อนไขการติดที่ดี (บน) และไม่เอื้ออำนวย (ล่าง) วิดีโอการทดลองแสดงโพลิสไตรีนลาเท็กซ์ทรงกลมขนาดเท่าแบคทีเรีย E. coli ที่ไหลผ่าน ลูกปัดแก้วเส้นผ่านศูนย์กลางครึ่งมิลลิเมตร ดูวิดีโอขนาดเต็มได้ที่นี่ นาโนศาสตร์เพื่อการตกแต่ง เป็นเวลากว่าสองทศวรรษที่นักวิจัยทราบดีว่าทฤษฎีการเกาะติดของคอลลอยด์นั้นไม่สมบูรณ์ เนื่องจากทฤษฎีนี้ปฏิบัติต่อทั้งคอลลอยด์และพื้นผิวในฐานะสสารจำนวนมาก โดยมีคุณสมบัติเหมือนกันทุกประการ แม้ว่าในระดับนาโนจะมีการเปลี่ยนแปลงอย่างมากทั่วทั้งพื้นผิว ทั้งในด้านรูปร่างและทางเคมี เมื่อประมาณ 10 ปีที่แล้ว นักวิจัยแห่งมหาวิทยาลัยแมสซาชูเซตส์ได้พัฒนาวิธีที่ง่ายกว่าในการแสดงพื้นที่ที่มีคุณสมบัติต่างๆ กันบนพื้นผิว ซึ่งคล้ายกับการประดับบนไข่อีสเตอร์หรือแผ่นสีบนภาพวาดอิมเพรสชันนิสต์ จอห์นสัน นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาและเพื่อนร่วมงานของเขานำแนวคิดนี้ไปไกลกว่านั้นตั้งแต่ปี 2014 เพื่อพยายามจับคู่ทฤษฎี "การตกแต่ง" นี้กับการทดลองของคอลลอยด์ที่เคลื่อนที่ผ่านตะกอน ตามทฤษฏีการตกแต่ง คอลลอยด์และพื้นผิวมีปฏิสัมพันธ์กันในบริเวณที่มีอันตรกิริยาจำกัด ซึ่งจะขยายตัวตามขนาดคอลลอยด์ที่เพิ่มขึ้น และขยายตัวด้วยความแรงของไอออนิกที่ลดลง ซึ่งเป็นความเข้มข้นของไอออนที่ละลายในน้ำ การติดแลนดิ้งนั้นขึ้นอยู่กับว่าโดเมนพื้นผิวที่น่าดึงดูดเติมเต็มพื้นที่ส่วนใหญ่ของการโต้ตอบหรือไม่ ทำให้การโต้ตอบนั้นน่าดึงดูดใจ ท่ามกลางความสมดุลของขนาดการตกแต่งที่สวยงาม ขนาดคอลลอยด์ ความแรงของไอออนิก และความเร็วของน้ำ ทฤษฎีใหม่นี้แสดงให้เห็นว่าคอลลอยด์สามารถเกาะติดได้อย่างไร ด้วยขนาดของคอลลอยด์ ความแรงของไอออน และความเร็วของน้ำที่แตกต่างกัน กลุ่มของจอห์นสันพบตัวแทนของ "การตกแต่ง" ที่อธิบายการเกาะติดของคอลลอยด์ภายใต้สภาวะแวดล้อม แต่ปรากฏการณ์อื่น ๆ ก็เกิดขึ้นจากการจำลองที่รวมตะกอน "ตกแต่ง" ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เขาและเพื่อนร่วมงานสำรวจในเอกสารใหม่ของพวกเขา คอลลอยด์บางชนิดเกาะติดอย่างรวดเร็วและบางส่วนเกาะติดอย่างช้าๆ เมื่อพวกมันดมกลิ่นไปรอบๆ เพื่อหาจุดบนตะกอนที่พวกมันสามารถเกาะติดลงไปได้ การจำลองของจอห์นสันแสดงให้เห็น นอกจากนี้ยังแสดงช่วงของ "เวลาที่อยู่อาศัย" สำหรับคอลลอยด์เมื่อเกาะอยู่รอบ ๆ พื้นผิวตะกอน "เมื่อคุณรวมเวลาที่อยู่อาศัยเหล่านี้เข้ากับความสัมพันธ์ง่ายๆ สำหรับการเพิ่มอัตราการสุ่มสัญญาณเพื่อคาดการณ์การขนส่งในระยะทางที่ไกลขึ้น" จอห์นสันกล่าว "ผลลัพธ์ที่ได้คือความสัมพันธ์ที่คาดเดาไม่ได้ก่อนหน้านี้สำหรับความเข้มข้นของคอลลอยด์ในฐานะฟังก์ชันของระยะทางในการขนส่ง ตอนนี้เราสามารถทำนายได้ในที่สุด" โดยเฉพาะอย่างยิ่งคำอธิบายที่เป็นไปได้เกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณน้ำฝนที่ตกหนักและการระบาดของโรคในน้ำใต้ดินก็ปรากฏขึ้นจากการจำลองเช่นกัน น้ำใต้ดินโดยธรรมชาติมีความเข้มข้นของไอออนิกสูงกว่าน้ำฝนสด เนื่องจากน้ำใต้ดินและเคมีของหิน แต่ในช่วงที่ฝนตกหนัก น้ำใต้ดินสามารถเปลี่ยนความแรงของไอออนิกให้ต่ำลงได้ โซนของปฏิกิริยาระหว่างคอลลอยด์กับพื้นผิวจะขยายออก ซึ่งสามารถพลิกปฏิสัมพันธ์โดยรวมจากที่น่าดึงดูดใจเป็นน่ารังเกียจได้ "คุณลดความแรงของไอออนิกเหมือนตอนฝนตกหนัก" จอห์นสันกล่าว "ขอบเขตของปฏิสัมพันธ์ขยายออกไปนอกเหนือไปจาก "การตกแต่ง" ระดับนาโนที่น่าดึงดูดใจ การโต้ตอบเปลี่ยนจากสิ่งที่น่าดึงดูดใจไปสู่สิ่งที่น่าขยะแขยง ปัจจุบัน จอห์นสันกล่าวว่า ผู้จัดการด้านน้ำมีเครื่องมือมากขึ้นในการป้องกันการระบาดของโรคเช่นเดียวกับในออนแทรีโอ ตัวอย่างเช่น, " จอห์นสันรู้สึกตื่นเต้นที่ได้เห็นการบรรจบกันของทฤษฎีและหลักฐานการทดลองในบทความนี้ ซึ่งช่วยพัฒนาสาขาที่เขาทำงานมาหลายปี "เราได้สนับสนุนคุณลักษณะที่น่าจะเป็นตัวแทน สิ่งที่เราสังเกตเห็นในสเกลที่ใหญ่ขึ้นนั้นเกิดจากการเป็นตัวแทนของปรากฏการณ์ในระดับนาโนถึงรูพรุน" เขากล่าว "สำหรับฉัน มันน่าพอใจจริงๆ"