Ученые создали микророботов для очистки вод от пластикового мусора

Представьте, что вы всего лишь кусок пластика, дрейфующий в бескрайнем океане, — всего лишь остаток некогда более крупной структуры, происхождение которой вы не помните. Вы — продукт многих, многих лет естественной эрозии и невидимы для человеческого глаза.

По воле океана ваша судьба, скорее всего, будет поглощена тем организмом, который первым наткнется на вас. Но внезапно над головой нависает тень, и, к вашему большому недоверию, это не рыба или кальмар, а зеленая сфера, покрытая кусочками черного железа, движущаяся к вам с неестественной скоростью. Вы чувствуете, что вас тянет к нему, и, приближаясь, понимаете, что оно также скрыто во многих других, подобных вам.

Хотя это впечатляющее зрелище, оно намекает на выдающуюся разработку, ставшую возможной благодаря команде исследователей Центрально-Европейского технологического института (CEITEC) Технического университета Брно.

Украсив клетки зеленых водорослей мельчайшими частицами черного оксида железа, также известного как магнетит, команда создала микророботов, которыми можно управлять на расстоянии, чтобы отсеивать из воды самый неуловимый пластик.

Но как именно работает эта система? И почему водоросли?

Беспорядок, который нужно убрать

Изделия из пластика дешевы, гибки и формуемы, прочны и легки. Это делает их чрезвычайно удобными материалами для бесконечного применения и, следовательно, их широко используют в настоящее время.

Однако эти самые преимущества также весьма вредны с экологической точки зрения. Растущий уровень производства в сочетании с характерной устойчивостью к естественному разложению привел к образованию огромного количества пластиковых отходов, которые будут оставаться в окружающей среде от нескольких десятилетий до нескольких столетий.

На протяжении всего этого времени пластик в водной среде будет распадаться на мельчайшие фрагменты, которые делятся на микропластик (менее 5 мм) и нанопластик (менее 1000 нм). Эти фрагменты затем проглатываются рыбами и другими водными организмами, вызывая физический вред, проблемы с пищеварением и размножением и, возможно, смерть.

Они также могут собирать другие загрязняющие вещества, присутствующие в воде, такие как тяжелые металлы и органические загрязнители. Эти пластмассы и загрязняющие вещества, которые они несут, передаются вверх по пищевой цепочке, и ученые только начинают изучать, какие последствия, если таковые имеются, это может иметь для людей в долгосрочной перспективе.

Чтобы попытаться очистить этот беспорядок и смягчить сохранение микро- и нанопластиков в окружающей среде, исследователи разрабатывают всевозможные решения. К сожалению, они обычно слишком сложны или дороги в реализации или просто недостаточно эффективны.

Здесь на помощь приходят роботы.

Магнитные роботы из водорослей

Чтобы лучше справляться с крошечными пластиками, группа исследователей из CEITEC пришла к идее создать столь же крошечных дворников, которыми они могли бы управлять. Эти крошечные роботы не похожи на обычные механические машины, к которым мы привыкли, а сами представляют собой микро-/наночастицы, состоящие из комбинации различных функциональных материалов.

«Я думал, что смогу найти один дешевый и массово производимый материал, который заменит дорогие металлы. Тогда мне на ум пришли клетки водорослей», — сказал Ся Пэн, автор исследования, опубликованного в журнале Advanced Functional Materials.

Назвав их «роботами из магнитных водорослей» или MAR, Ся и его команда украсили клетки Chlorella vulgaris (разновидность зеленых микроводорослей) экологически чистыми наночастицами магнетита, которые позволяют манипулировать MAR с помощью внешнего магнитного поля. Эти водоросли не только биоразлагаемы, но их также легко и дешево производить в массовом порядке.

Еще одним преимуществом является то, что их поверхность пронизана химическими группами, называемыми карбоновыми кислотами, которые несут отрицательный электростатический заряд.

«Поверхностный заряд MAR отрицательный из-за присутствия групп [карбоновой кислоты], в то время как поверхностный заряд выбранных микро/нанопластиков положителен, что способствует электростатическому притяжению целевых микро/нанопластиков, позволяя их захватывать и удалять». — объяснил Ся.

Отрицательно заряженные водоросли притягивают положительно заряженные микро/нанопластики и удерживают их «приклеенными» к себе. Таким же образом наночастицы магнетита, заряженные положительно, могут быть прикреплены к поверхности клеток водорослей для дистанционного магнитного управления, не требуя какой-либо сложной обработки.

Для своих испытаний команда использовала положительно заряженный флуоресцентный вариант вездесущего пластикового полистирола, размер которого варьировался от 2 мкм до 50 нм. Эта флуоресцентная форма светится в определенных экспериментальных условиях и позволяет команде измерять количество пластика, удаленного с помощью MAR из проб воды, включая деионизированную, водопроводную, дождевую и озерную воду.

Они добавили MAR к этим образцам загрязненной воды, отправили их по заданным траекториям под магнитным наведением, улавливая полистирол на своем пути, а затем исследовали обработанные образцы, сравнивая их уровни интенсивности флуоресценции до и после обработки.

«Наиболее важными открытиями, — заявил Ся, — стал успешный захват микро/нанопластиков с высокой эффективностью удаления как нанопластиков (92%), так и микропластиков (70%)».

Мало того, MAR можно перерабатывать для дальнейшего использования, смывая захваченный пластик.

«MAR потенциально могут быть протестированы в соленой воде, поскольку на их магнитное движение не влияет соленость», — отметил Ся.

Но пока исследование находится на начальной стадии.

«Важно продолжить изучение биоразлагаемости и потенциального долгосрочного воздействия этих наночастиц на окружающую среду, чтобы гарантировать, что они не приводят к проблемам токсичности».

«В нашем случае наночастицы могут быть легко собраны постоянным магнитом в конце процесса, гарантируя, что никакие частицы не останутся в воде».

Дальнейшее развитие

Однако не весь пластик, загрязняющий наши воды, заряжен положительно. Многие фрагменты заряжены отрицательно в нормальных водных условиях, а это означает, что MAR не смогут уловить их посредством текущих встроенных электростатических взаимодействий.

В будущем ученые намерены разработать систему, которая сможет улавливать отрицательно заряженные микро/нанопластики, пишет advancedsciencenews.