Ein lichtaktivierter fischförmiger Roboter sammelt Mikroplastik, während er schwimmt. Nanobuchstaben 2022
Letzte Woche wurde bekannt, dass Mikroplastik für die gefunden wurde erstmals im frischen Antarktisschnee . Sie wurden hoch in den Alpen entdeckt, Wasser in Flaschen und menschliches Blut.
Sie können bei Einnahme für Tiere schädlich sein. Aber die wachsende Bedrohung ist angesichts ihrer Größe schwer zu entfernen, besonders wenn sie sich in Ecken und Winkeln am Grund von Wasserstraßen festgesetzt haben.
Forscher der American Chemical Society Nano-Buchstaben haben eine Lösung entwickelt - einen lichtaktivierten Fischroboter, der schnell herumschwimmt und Mikroplastik aus der Umgebung aufnimmt und entfernt. Ihre Arbeit wurde veröffentlicht am 22. Juni
"Mit ihren größeren Oberflächen und hydrophoben Eigenschaften kann Mikroplastik Schwermetalle, toxische organische Schadstoffe und Krankheitserreger stark absorbieren und Mikroplastik-Verbundschadstoffe bilden. Darüber hinaus verstärken die Mikroplastik-Verbundschadstoffe explizit ihre Biotoxizität und bringen unvorhersehbare Risiken für beide aquatischen Biota mit sichund menschliche Gesundheit über die Nahrungskette" leitender Forscher Xinxing Zhang, Ph.D., Sichuan University, Chengdu, erzählt IE in einem Interview.
„Um die Gefahren von Mikroplastik-Verbundstoffen weiter zu verdeutlichen, glauben wir daher, dass es von großer Bedeutung ist, einen Mikroproben-Roboter zu entwickeln, der diese schädlichen Mikroplastik-Verbundstoff-Schadstoffe aus der aquatischen Umwelt genau sammelt und Proben nimmt“, sagt Zhang.
Starke und flexible Eigenschaften waren Voraussetzung
Mikroplastik wurde herausfordernd zu entfernen aus aquatischen Umgebungen, da sie in Ritzen und Spalten fallen können. Frühere Lösungen die vorgeschlagen wurden, umfassen die Verwendung flexibler und selbstfahrender Roboter, um diese Schadstoffe zu erreichen und zu beseitigen. Aber das traditionelle Material, das für weiche Roboter verwendet wird, sind Hydrogele und Elastomere, die in aquatischen Umgebungen leicht beschädigt werden können.
"Die Cyclodextrinmoleküle und Sulfonsäuregruppen auf sulfonierten Graphen-Nanoblättern haben starke Π-Π-Wechselwirkungen, Wirt-Gast-Erkennung und elektrostatische Wechselwirkungen mit organischen Farbstoffen, Antibiotika, Schwermetallen usw. auf Mikroplastik. Also haben wir uns entschieden, diese beiden zu verwendenMaterialien, um flexible Roboter herzustellen", sagt Zhang.
Ein weiteres starkes und flexibles Material namens Perlmutt, auch bekannt als Perlmutt, kann auf der Innenfläche von Muschelschalen gefunden werden. Perlmuttschichten haben einen mikroskopischen Gradienten, der von einer Seite mit vielen Calciumcarbonat-Mineral-Polymer-Verbundstoffen zur anderen mit hauptsächlich einem Seidenprotein-Füllstoff verläuft.
"Inspiriert von Perlmutt haben wir einen langlebigen weichen Roboter mit der Integration von vielseitiger Fortbewegung und Funktion der Mikroplastikbehandlung entwickelt. Wir haben einen hohen Gehalt an β-Cyclodextrin β-CD modifiziertem sulfoniertem Graphen SG in Polyurethan PU eingebettet.Matrix, um die organisch-anorganische Gradientenstruktur von Perlmutt nachzuahmen", sagt Zhang.
Laut ihrer Forschung hat Perlmutt unterschiedliche maximale Belastungen für verschiedene Arten von mikroplastischer Verbundverschmutzung. „Sie können auf dem Wasser bleiben, bis sie ihre maximale Belastung erreichen“, fügt Zhang hinzu.
Wie schwimmt dieser Fisch?
Zusammengesetzte Nanoblätter wurden erstellt, als die Forscher verlinktenβ-Cyclodextrinmoleküle zu sulfoniertem Graphen. Die Lösungen der Nanoblätter wurden dann mit unterschiedlichen Konzentrationen in Polyurethan-Latex-Mischungen eingearbeitet.
Die Forscher entwickelten dann eine schichtweise Montagemethode, die einen geordneten Konzentrationsgradienten der Nanokomposite durch das Material erzeugte. Daraus formte das Team einen winzigen Fischroboter, der 15 mm etwa einen halben Zoll lang warDas schnelle Ein- und Ausschalten eines Nahinfrarotlichtlasers am Schwanz eines Fisches ließ ihn flattern und den Roboter vorwärts treiben.
Der Roboter konnte 2,67 Körperlängen pro Sekunde bewegen – schneller als andere weiche Schwimmroboter und mit der gleichen Geschwindigkeit wie aktives Phytoplankton, das sich im Wasser bewegt.
Die Forscher zeigten, dass die schwimmender Fischroboter könnte wiederholt in der Nähe befindliches Polystyrol-Mikroplastik adsorbieren und an einen anderen Ort transportieren. Außerdem könnte sich das Material nach dem Schneiden selbst heilen und behält weiterhin seine Fähigkeit, Mikroplastik zu adsorbieren.
Die Langlebigkeit und Geschwindigkeit des Fischroboters veranlassten die Forscher, alles darauf zu setzen und erklärten, dass er zur Überwachung von Mikroplastik und anderen Schadstoffen in rauen aquatischen Umgebungen verwendet werden könnte.
Eine innovative Grenzflächen-Wasserstoffbindungsmethode wurde eingeführt
Die Entwicklung eines solchen Roboters bringt seine eigenen Herausforderungen mit sich.
"Die eingebetteten elektronischen Komponenten werden den Robotern zweifellos Gewicht hinzufügen, was die Entwicklung von leichten Mikrorobotern behindert. Unter Berücksichtigung der Betriebsbedingungen und der wirtschaftlichen Kosten sind Integration, Leichtbau und Intelligenz die Entwicklungsrichtung von Softrobotern, konventioneller mechanischer Antriebund Funktionssysteme wie Stellmotoren und Manipulatoren sind zu groß oder zu schwer", erklärt Zhang.
Das Ausbalancieren der funktionellen und mechanischen Eigenschaften von Materialien kann einschüchternd werden.
Um solchen Problemen in ihrer Arbeit entgegenzuwirken, haben die Forscher "innovativ" eingeführt. Grenzflächen-Wasserstoffbrückenbindung zwischen funktionellen Füllstoffen und weicher Polymermatrix über einen Gradientenaufbauprozess. „Das Aufbrechen und die Reorganisation dynamischer Wasserstoffbrückenbindungen ermöglichen die Integration und Duktilität auf molekularer Ebene und verbessern die Dehnbarkeit“, sagt Zhang.
wird Zeit brauchen, um oh-fish-ial zu sein
Das Forschungsteam entwickelt derzeit neue Nanomaterialien, die unter Wasser funktionieren und mikroplastische Verunreinigungen erkennen können. "Ich denke, Nanotechnologie ist vielversprechend zur Spurenadsorption, Sammlung und Erkennung von Schadstoffen, zur Verbesserung der Eingriffseffizienz bei gleichzeitiger Senkung der Betriebskosten", sagt Zhang.
Wir sind jedoch nicht so nah an der Realität eines Roboterfisches, der Mikroplastik aufsammelt.
"Der weiche Roboter in dieser Arbeit integriert derzeit nur die Funktion der gerichteten Sammlung von Mikroplastik auf der Wasseroberfläche. Und seine Größe, Lichteinfall … alles muss vor der großflächigen Anwendung optimiert und verbessert werden", fügt Zhang hinzu.