Магнитные роботы могут помочь удалить опасные нанопластики из воды

Фото из открытых источников

Чем лучше человечество научилось производить пластик, тем сложнее стало его перерабатывать — особенно те частицы, которые слишком малы, чтобы их увидеть. Даже после того, как пластиковые бутылки и пакеты разлагаются, они продолжают распадаться на настолько мелкие частицы, что обычная фильтрация не может их обнаружить. Они беспрепятственно проникают через очистные сооружения и в водоемы. Там они попадают в пищевую цепь и, в конечном итоге, в организм, где их обнаруживают в человеческих органах, и все чаще связывают с различными заболеваниями, такими как рак.

Здесь на помощь могут придти нанороботы. В исследовании, опубликованном в журнале Environmental Science: Nano, ученые показали, что крошечные магнитные машины, изготовленные из материалов, напоминающих клетки, могут вращаться в воде, собирая нанопластик с помощью того же электростатического притяжения, которое заставляет воздушный шарик прилипать к волосам.

«Примечательно, что эти роботы спроектированы таким образом, чтобы притягивать пластик с помощью электростатики», — говорит Сильвен Мартель, инженер-программист из Монреальского политехнического университета, не принимавший участия в этой работе.

Ученые и раньше пытались использовать нанороботов для очистки от пластиковых отходов. Но предыдущие попытки основывались на пассивном захвате: роботов просто помещали в воду и ждали, пока нанопластик приблизится достаточно близко, чтобы прилипнуть к поверхности.

Новое исследование меняет этот подход, отправляя роботов на активный поиск частиц. В отличие от более ранних конструкций микророботов, работающих на химическом топливе или ультрафиолетовом свете, эти роботы функционируют в низкоэнергетическом магнитном поле и не требуют никаких добавок, что упрощает их управление и извлечение.

Для их создания исследователи под руководством Мартина Пумеры, инженера-химика из Брненского технологического университета, разработали серию стержней, каждый примерно шириной с человеческий волос, из металлоорганических каркасов на основе железа — класса пористых материалов. Под сканирующим электронным микроскопом каждый шестиугольный стержень напоминает кратерированный метеорит. Эти кратеры со временем становятся местами, к которым прикрепляются нанопластики. Чтобы превратить эти стержни в магнитные машины, ученые нагревали их в процессе, называемом карбонизацией, в результате чего железо перестраивалось в магнитные соединения. В результате движение нанороботов можно было контролировать извне с помощью магнитов.

Процесс карбонизации также значительно увеличивает площадь поверхности каждого стержня, испещряя его порами, слишком мелкими, чтобы их можно было увидеть даже под стандартным микроскопом. Это немного похоже на превращение гладкой стены в огромные соты: чем больше площадь поверхности, тем больше мест, где нанопластик может прилипнуть. Этот процесс прилипания, известный как адсорбция, является ключевым фактором способности роботов улавливать пластик.

Для тестирования миниатюрных машин ученые поместили роботов в небольшой флакон с дистиллированной водой, содержащей светящиеся нанопластиковые частицы, достаточно мелкие, чтобы проходить через кровеносные сосуды человека. Затем они активировали систему магнитных катушек, окружающих флакон, создав вращающееся магнитное поле, не сильнее, чем у магнита холодильника. Под ним стержни начали двигаться в направлении нанопластика, захватывая его электростатической силой. Поскольку частицы светятся, команда смогла отслеживать количество оставшегося в растворе пластика, измеряя интенсивность флуоресценции.

Через час движущиеся роботы захватили 78% частиц, что примерно на 60% больше, чем если бы роботы стояли совершенно неподвижно. «Если это просто частицы, которые сидят и надеются притянуть нанопластик, мы не называем это роботом», — говорит Пумера. «Вся идея заключается в активной материи».

После того как роботы собрали пластик, команда приложила простой магнит к внешней стороне флакона; роботы переместились к стеклянной стенке, и очищенную воду можно было слить. Для регенерации машин команда использовала кислотную ванну, чтобы высвободить собранный пластик и восстановить их поверхности. Однако после четырех циклов повторного использования производительность роботов снизилась, поскольку их поры все больше забивались пластиком и ионами, плавающими в воде.

А в реальной жизни вода гораздо грязнее, чем лабораторная колба. Когда исследователи протестировали роботов в имитированной морской и грунтовой воде, эффективность роботов в сборе пластика снизилась примерно на 70%, поскольку ионы, растворенные в воде, конкурировали с нанопластиком за электростатическое притяжение роботов.

Увеличение масштаба также представляет собой проблему. «Перемещение этих роботов составляет всего несколько микрометров в секунду», — говорит Мартель. При такой скорости охват больших объемов открытой воды нецелесообразен. Кроме того, магнитные поля быстро затухают с расстоянием, что делает глубоководные участки практически недоступными, добавляет он.

На данный момент команда уже ведет переговоры с компаниями, занимающимися очисткой воды, чтобы изучить возможности применения этой технологии. «Мы не говорим, что внезапно заменим все микро- и нанороботами», — говорит Пумера. Однако его амбиции простираются дальше лабораторных пробирок: команда Пумеры надеется отправить версию роботов на Международную космическую станцию, где они могли бы помочь удалить стойкую биопленку — микроорганизмы, загрязняющие системы фильтрации воды на орбитальной станции.