2004，英國普利茅斯大學(xué)的湯普森等人在《Science》中首次提出“微塑料”的概念，指出微塑料的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，能在環(huán)境中存在千年之久。微塑料在水體、土壤、空氣甚至生物體內(nèi)廣泛存在。對比“白色污染”塑料，微塑料具有尺寸更小，傳播路徑更遠(yuǎn)等特點(diǎn)，國際上已經(jīng)將微塑料界定為新型污染物，其在環(huán)境中的快速降解與即時(shí)檢測也成為當(dāng)前最緊迫的問題之一。
微納米機(jī)器人 (Micro/nanorobots) 作為一種可以將環(huán)境中能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械動能的新型微納米器件，通過其微納米尺度的自主運(yùn)動特性與材料物理化學(xué)性質(zhì)結(jié)合，在環(huán)境修復(fù)、生物醫(yī)學(xué)、傳感、微電子等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。微/納米機(jī)器人克服了微流體層流中被動擴(kuò)散的限制，其自主運(yùn)動特性增強(qiáng)了與污染物的相互作用，有望加速微塑料的凈化和檢測過程。但是目前微納米機(jī)器人面臨著：(1) 驅(qū)動燃料多為H2O2，具有環(huán)境污染性；(2) 由于重力作用，運(yùn)動行為多在2D平面上展開，缺少3D運(yùn)動功能。
成果簡介
近日，布爾諾工業(yè)大學(xué)Martin Pumera，通過多功能MXene氧化物微型機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動捕獲三維空間納米塑料。這種微型機(jī)器人將Ti3C2Tx MXene熱煅燒處理的方法組裝到具有光催化活性的多層TiO2中，隨后沉積Pt層和磁性γ-Fe2O3，構(gòu)建了具有負(fù)向光引力運(yùn)動的能力的γ-Fe2O3/Pt/TiO2微型機(jī)器，在光照條件和沒有燃料的條件具有6個運(yùn)動自由度，通過pH可編程的表面電位實(shí)現(xiàn)了微塑料在微納米機(jī)器人表面的吸附，并且可以通過便攜式電化學(xué)阻抗譜 (EIS) 實(shí)現(xiàn)微塑料的定量檢測，成果發(fā)表在Nature Communication上。德國格萊夫斯瓦爾德大學(xué)醫(yī)學(xué)院免疫與輸血醫(yī)學(xué)研究所Raghavendra Palankar在Nature Nanotechnology上對該工作進(jìn)行了評論并給予了高度評價(jià)。
微/納米機(jī)器人在水中的3D負(fù)趨光性運(yùn)動
研究者通過在空氣中對手風(fēng)琴狀Ti3C2Tx MXene 微米顆粒進(jìn)行550℃退火，在基本不改變形貌的前提下將其轉(zhuǎn)變成TiO2微米顆粒。隨后的組成不對稱對于微納米機(jī)器人的驅(qū)動尤為關(guān)鍵，在沒有Pt層存在的情況下，MXene TiO2微納米機(jī)器人只能在H2O2中運(yùn)動；Pt層的加入使得MXene γ-Fe2O3/Pt/ TiO2微納米機(jī)器人可以通過光解水在水中進(jìn)行驅(qū)動。通過改變UV的入射方向可以調(diào)控微納米機(jī)器人2D/3D運(yùn)動的切換，即UV垂直入射導(dǎo)致的負(fù)重力軸現(xiàn)象，從而賦予微納米機(jī)器人6個運(yùn)動自由度。
圖| MXene γ-Fe2O3/Pt/ TiO2微納米機(jī)器人的3D運(yùn)動
進(jìn)一步探究馬達(dá)的運(yùn)動設(shè)計(jì)，Pt層的引入使得系統(tǒng)形成金屬/半導(dǎo)體肖特基結(jié)，在UV照射下，電子從TiO2價(jià)帶躍遷，轉(zhuǎn)移到Pt上而在TiO2價(jià)帶留下空穴，從而在Pt和TiO2發(fā)生水的光解產(chǎn)生H+濃度梯度，進(jìn)而形成自建電場，通過自電泳驅(qū)動微納米機(jī)器人。同時(shí)，Pt層的連續(xù)性對馬達(dá)速度有很大的影響，連續(xù)Pt層相較分散Pt層 (退火得到) 可以形成較大的反應(yīng)電流，進(jìn)而賦予馬達(dá)更大的驅(qū)動力。
圖| MXene γ-Fe2O3/Pt/ TiO2微納米機(jī)器人運(yùn)動機(jī)理分析與理論模擬
通過可編程表面電位進(jìn)行微塑料快速富集
研究者采用50 nm的羧基聚苯乙烯顆粒作為微塑料演示物，并采用NTA技術(shù)對溶液中微塑料的平均粒徑、濃度進(jìn)行檢測以搭建實(shí)驗(yàn)平臺。
圖| NTA技術(shù)定量檢測微塑料
隨后，微塑料與微納米機(jī)器人之間的靜電引力被當(dāng)作“機(jī)械手”配合微納米機(jī)器人的自主運(yùn)動對水中的微塑料進(jìn)行快速收集，相對于不可運(yùn)動的MXene TiO2，MXene γ-Fe2O3/Pt/TiO2在1min內(nèi)即可收集97%的微塑料，5 min內(nèi)可實(shí)現(xiàn)微塑料的快速全面清掃，并且相對于傳統(tǒng)材料展現(xiàn)出極快的清掃效率。
圖| MXene γ-Fe2O3/Pt/ TiO2微納米機(jī)器人的快速微塑料收集
微塑料快速定量測試
微塑料的快速檢測一直是該領(lǐng)域的一個問題，目前檢測設(shè)備體積較為龐大且價(jià)格較高 (如NTA等)，該工作中研究者將微納米機(jī)器人與商用的SPEs結(jié)合，在SPEs背面裝上磁鐵，便于使收集微塑料后的微納米機(jī)器人更快的沉底到電極上，使導(dǎo)電膜的電阻增加，從而影響EIS圖譜，實(shí)現(xiàn)微塑料的快速定量檢測。
圖| MXene γ-Fe2O3/Pt/ TiO2微納米機(jī)器人的快速微塑料檢測
小結(jié)
參考文獻(xiàn)
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