Без фильтров и химии: рои крошечных роботов буквально выбивают микропластик из почвы и воды

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Загрязнение окружающей среды микропластиком превратилось в глобальную экосистему проблему. К настоящему моменту человечество произвело более 6,3 миллиарда тонн пластиковых отходов, из которых около 79% накопилось на свалках и в природных экосистемах. Под воздействием солнечного ультрафиолета, перепадов температур и механического трения крупный пластиковый мусор распадается на частицы размером менее 5 миллиметров — микропластик.

Основное внимание общественности и экологов традиционно приковано к загрязнению океанов. Однако исследования показывают, что суша накапливает от 4 до 23 раз больше микропластика, чем морская среда. Каждую неделю в сельскохозяйственные почвы Европы попадает от 63 до 430 тысяч тонн микропластиковых частиц, а в почвы Северной Америки — от 44 до 300 тысяч тонн. Главные источники загрязнения на полях — сельскохозяйственные защитные пленки для мульчирования, удобрения, полив сточными водами и атмосферные осадки.

Рой нанодронов удаляет микропластик, вольная интерпретация
Рой нанодронов удаляет микропластик, вольная интерпретация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Накапливаясь в земле, пластиковые частицы ухудшают структуру грунта, снижают его способность удерживать воду и питательные вещества, а также угнетают жизнедеятельность почвенных бактерий и дождевых червей. Это ведет к снижению урожайности и создаёт риски для продовольственной безопасности.

Сложность очистки почвы и ограничения существующий методов

Очистить воду от микропластика относительно просто: воду можно профильтровать или добавить в неё поглощающие материалы, которые затем собирают вместе с загрязнениями. Очистить почву таким способом невозможно.

Почва представляет собой плотную и неоднородную среду, состоящую из минеральных частиц, органики и воздуха. Частицы микропластика застревают в узких извилистых каналах шириной от 10 до 100 микрометров и прочно связываются с поверхностью минералов и гумуса.

Применяемые сегодня методы очистки имеют ключевые недостатки:

  • Неподвижные материалы-поглотители (например, активированный уголь или биоуголь) эффективно работают только при прямом контакте с загрязнителем. В почве нет свободного потока жидкости, поэтому такие материалы способны очистить только те участки, куда они попали изначально.
  • Химические микромоторы, передвигающиеся за счет реакции с перекисью водорода, выделяют токсичные вещества, которые отравляют почвенную микрофлору.
  • Световые микророботы, использующие энергию света для движения, бесполезны в толще земли, куда солнечные лучи не проникают.

Наиболее перспективным решением стало использование внешних магнитных полей. Магнитное поле беспрепятственно проходит сквозь почву любой плотности, не разрушает её структуру и позволяет точно управлять микроскопическими объектами на глубине.

Создание и структура магнитных микророботов: a — Схема синтеза гибридных частиц Ti3C2Tx@Ni методом химического восстановления. b–d — Снимки с электронного микроскопа (SEM): исходный мксен Ti3C2Tx (b), готовый гибридный микроробот Ti3C2Tx@Ni (c) и карта распределения химических элементов Ti, C, Ni и O по данным EDX-анализа (d). Масштабная линейка — 1 мкм. e, f — Данные рентгеновского анализа XRD (e) и ИК-спектроскопии FTIR (f) для чистого мксена (черный график) и гибрида Ti3C2Tx@Ni (синий график).
Создание и структура магнитных микророботов: a — Схема синтеза гибридных частиц Ti3C2Tx@Ni методом химического восстановления. b-d — Снимки с электронного микроскопа (SEM): исходный мксен Ti3C2Tx (b), готовый гибридный микроробот Ti3C2Tx@Ni (c) и карта распределения химических элементов Ti, C, Ni и O по данным EDX-анализа (d). Масштабная линейка — 1 мкм. e, f — Данные рентгеновского анализа XRD (e) и ИК-спектроскопии FTIR (f) для чистого мксена (черный график) и гибрида Ti3C2Tx@Ni (синий график).
Автор: Kim, J., Mallick, A., Song, SJ. et al. Источник: www.nature.com
Устройство микроробота: сочетание 2D-материала и никелевого двигателя

Международная группа ученых разработала подвижных микророботов, объединив в одной структуре два компонента: двумерный материал мксен (Ti₃C₂Tₓ) и наночастицы никеля.

1. Поглощающий корпус из мксена

Мксены — это класс двумерных материалов, состоящих из слоев карбида титана толщиной всего в несколько атомов. Внешне микрочастица мксена напоминает стопку бумажных листов с зазорами между ними.

Эта структура обеспечивает огромную площадь поверхности: один грамм материала имеет площадь 92,1 квадратного метра. На поверхности мксена находится множество химических групп — гидроксильных (-OH), кислородных (-O-) и фторных (-F). Они придают материалу отрицательный электрический заряд (потенциал -14,1 мВ) и позволяют удерживать молекулы пластика за счет электрического притяжения и химических связей.

2. Никелевый магнитный двигатель

Чтобы заставить частицы мксена передвигаться, ученые закрепили на их поверхности сферические наночастицы никеля диаметром около 500 нанометров. Для этого хлорид никеля смешали с раствором мксена, добавили щелочь и гидразингидрат, после чего нагревали смесь при температуре 70 градусов Цельсия в течение часа с использованием ультразвука.

Никель был выбран из-за его магнитных свойств. Распространенный в медицине и технике оксид железа (Fe₃O₄) при уменьшении до наномасштабов теряет способность удерживать намагниченность без внешнего поля. В жидкой среде частицы с оксидом железа не могут развивать достаточную силу вращения. Никель сохраняет высокую магнитную жесткость (коэрцитивную силу от 150 до 300 эрстед), что позволяет наночастицам жестко следовать за вращением внешнего магнитного поля и тянуть за собой весь микроробот.

Физика движения и способы управления

Движение микророботов создается с помощью установки из шести электромагнитных катушек, генерирующих вращающееся магнитное поле напряженностью 5 миллитесла.

Когда магнитное поле вращается в вертикальной плоскости, микроробот начинает кувыркаться по поверхности, за счет чего передвигается вперед. Направление движения меняется поворотом плоскости вращения магнитного поля.

Скорость перемещения зависит от частоты вращения поля:

  • При частоте от 0,5 до 3 Герц скорость робота растет линейно и достигает максимума в 22,1 микрометра в секунду при 3 Герцах.
  • При частоте выше 3 Герц вязкое сопротивление воды начинает превышать магнитную силу, увлекающую никель. Робот теряет синхронность с полем, и скорость его движения падает. Частота 3 Герца является предельной частотой синхронного движения.

Ученые продемонстрировали два режима управления микророботами:

  1. Ручной режим: оператор менял параметры поля в реальном времени, заставляя один микроробот вычерчивать на экране микроскопа буквы «M», «X», «e», «n» и «e».
  2. Автоматический режим: система по заранее заложенной программе направляла рой микророботов по круговым, перпендикулярным или случайным траекториям, а также заставляла их совершать синхронные возвратно-поступательные движения.
 Режимы движения и способы управления микророботами: a — Кадры микроскопической съемки одного полного цикла кувыркающегося движения микроробота в магнитном поле (1 Гц, 5 мТл). b, c — Зависимость средней скорости (b) и траекторий движения (c) микророботов от частоты вращения магнитного поля. d–f — Различные режимы управления роем: d — Точное ручное управление: робот вычерчивает буквы «M», «X», «e», «n», «e». e — Автоматическое движение по заданной программе (по кругу, под прямым углом и в случайных направлениях). f — Коллективное движение (рой) со случайной сменой направления. Масштабная линейка на фото — 20 мкм. На графике b показаны средние значения ± стандартное отклонение (n = 15).
Режимы движения и способы управления микророботами: a — Кадры микроскопической съемки одного полного цикла кувыркающегося движения микроробота в магнитном поле (1 Гц, 5 мТл). b, c — Зависимость средней скорости (b) и траекторий движения (c) микророботов от частоты вращения магнитного поля. d-f — Различные режимы управления роем: d — Точное ручное управление: робот вычерчивает буквы «M», «X», «e», «n», «e». e — Автоматическое движение по заданной программе (по кругу, под прямым углом и в случайных направлениях). f — Коллективное движение (рой) со случайной сменой направления. Масштабная линейка на фото — 20 мкм. На графике b показаны средние значения +- стандартное отклонение (n = 15).
Автор: Kim, J., Mallick, A., Song, SJ. et al. Источник: www.nature.com
Эксперименты по очистке воды от микропластика

Для проверки эффективности ученые использовали два вида пластикового загрязнения:

  • Полистирол (PS): идеальные шарики диаметром 1 микрометр с положительным зарядом поверхности (+15,9 мВ).
  • Полиэтилентерефталат (PET): осколки неправильной формы размером от 1 до 150 микрометров, полученные путем измельчения обычных пластиковых бутылок из-под питьевой воды (слабый отрицательный заряд -9,7 мВ).

Для точного подсчета количества удаленного пластика на спектрофотометре частицы PET окрасили специальным флуоресцентным красителем, светящимся под ультрафиолетом.

Сценарии захвата пластика различного размера

В жидкой среде движение микророботов создает локальное перемешивание воды, обеспечивая активный поиск и захват пластиковых частиц:

  1. Пластик меньше робота (около 1 мкм): одиночный микроробот подплывает к шарику полистирола, притягивает его к своей поверхности за счет противоположных электрических зарядов и транспортирует в нужную точку.
  2. Пластик больше робота (около 25 мкм): один робот не может сдвинуть такой фрагмент. В этом случае несколько микророботов объединяются, подплывают к частице с разных сторон и совместными усилиями перемещают её.
  3. Крупные обломки (около 150 мкм): рой из десятков микророботов полностью покрывает поверхность крупного пластикового фрагмента. Образовавшийся агрегат затем легко притягивается к стенке сосуда обычным постоянным магнитом.
Активный захват и удаление микропластика из воды: a — Схема процесса очистки загрязненной воды с помощью микророботов. b, c — Снимки с оптического микроскопа: микросферы полистирола PS диаметром 1 мкм (b, масштабная линейка — 5 мкм) и обломки полиэтилентерефталата PET разного размера (c, масштабная линейка — 10 мкм). d–f — Последовательность кадров, демонстрирующая процесс захвата и транспортировки пластика микророботами разного размера: d — Охота на микрочастицу полистирола PS размером ~1 мкм. e — Совместный захват фрагмента PET размером ~25 мкм несколькими роботами. f — Захват роем роботов крупного обломка PET размером ~150 мкм. Желтые линии и стрелки показывают траекторию движения микророботов, белые метки — частицы пластика и направление их буксировки. Масштабные линейки: 5 мкм (d), 20 мкм (e) и 30 мкм (f).
Активный захват и удаление микропластика из воды: a — Схема процесса очистки загрязненной воды с помощью микророботов. b, c — Снимки с оптического микроскопа: микросферы полистирола PS диаметром 1 мкм (b, масштабная линейка — 5 мкм) и обломки полиэтилентерефталата PET разного размера (c, масштабная линейка — 10 мкм). d-f — Последовательность кадров, демонстрирующая процесс захвата и транспортировки пластика микророботами разного размера: d — Охота на микрочастицу полистирола PS размером ~1 мкм. e — Совместный захват фрагмента PET размером ~25 мкм несколькими роботами. f — Захват роем роботов крупного обломка PET размером ~150 мкм. Желтые линии и стрелки показывают траекторию движения микророботов, белые метки — частицы пластика и направление их буксировки. Масштабные линейки: 5 мкм (d), 20 мкм (e) и 30 мкм (f).
Автор: Kim, J., Mallick, A., Song, SJ. et al. Источник: www.nature.com
Результаты очистки воды

Смесь микророботов и загрязненной воды подвергали воздействию вращающегося магнитного поля в течение определенного времени, после чего у стенки сосуда помещали постоянный магнит. За 1 минуту все микророботы вместе с захваченным пластиком собирались у магнита, а очищенную воду отбирали для анализа.

Сравнение подвижных (управляемых полем) и неподвижных микророботов показало следующие результаты:

  • Полистирол (PS): за первые 10 минут подвижные роботы удалили 80,6% пластика, что на 17,9% превысило показатель неподвижного материала. Через 60 минут активная система очистила воду на 94,0% (против 81,1% у неподвижной).
  • Полиэтилентерефталат (PET): за 60 минут динамические микророботы удалили 89,2% осколков пластика, тогда как неподвижные — только 74,4%.

Движение микророботов заменяет собой внешнее перемешивание жидкости, преодолевая ограничения медленной диффузии.

Извлечение пластика из почвы: механический отрыв частиц

Самым сложным этапом исследований стала очистка почвы. Для этого почвенные образцы помещали в чашки Петри, добавляли микропластик и воду, создающую сеть микропоровых каналов.

В грунте микропластиковые частицы застревают между песчинками и органическими отложениями. Неподвижные поглотители в таких условиях практически бесполезны, так как они не могут вступить в контакт с пластиком, находящимся внутри почвенной матрицы.

Механизм действия микророботов в грунте
  1. Проникновение: Вращающееся магнитное поле заставляет микророботов продвигаться по узким каналам шириной 10-100 микрометров, заполненным водой.
  2. Механический отрыв: Подплывая к застрявшему в грунте фрагменту пластика, микроробот продолжит кувыркаться. Постоянные микроскопические удары корпуса робота по частице пластика создают механическое усилие. Это усилие разрывает связи, удерживающие пластик на поверхности почвенных минералов.
  3. Захват и сбор: Отделившийся от почвы пластик мгновенно прилипает к функциональным группам мксена. После завершения цикла смесь воды и микророботов откачивают из почвы шприцем и разделяют с помощью магнита.
Захват и извлечение микропластика из почвы с помощью микророботов: a — Схема процедуры очистки почвы и оценки количества остаточного пластика (внизу). Фотографии чашек Петри при обычном свете (вставки) и под ультрафиолетом UV в процессе очистки (вверху). Белые стрелки указывают на желто-зеленое свечение полистирола PS, которое заметно угасает после обработки роем роботов. b — Кадры микроскопической съемки, демонстрирующие извлечение из почвы частиц PET размером ~10 мкм (слева) и ~80 мкм (справа). Желтые линии и стрелки показывают траектории движения микророботов, белые метки — захваченные частицы пластика. Масштабные линейки: 10 мкм (слева) и 20 мкм (справа). c, d — Сравнение эффективности очистки почвы от полистирола PS (c) и полиэтилентерефталата PET (d) подвижными (динамическими) и неподвижными (статическими) микророботами. Погрешности соответствуют стандартному отклонению по результатам трех повторных экспериментов.
Захват и извлечение микропластика из почвы с помощью микророботов: a — Схема процедуры очистки почвы и оценки количества остаточного пластика (внизу). Фотографии чашек Петри при обычном свете (вставки) и под ультрафиолетом UV в процессе очистки (вверху). Белые стрелки указывают на желто-зеленое свечение полистирола PS, которое заметно угасает после обработки роем роботов. b — Кадры микроскопической съемки, демонстрирующие извлечение из почвы частиц PET размером ~10 мкм (слева) и ~80 мкм (справа). Желтые линии и стрелки показывают траектории движения микророботов, белые метки — захваченные частицы пластика. Масштабные линейки: 10 мкм (слева) и 20 мкм (справа). c, d — Сравнение эффективности очистки почвы от полистирола PS (c) и полиэтилентерефталата PET (d) подвижными (динамическими) и неподвижными (статическими) микророботами. Погрешности соответствуют стандартному отклонению по результатам трех повторных экспериментов.
Автор: Kim, J., Mallick, A., Song, SJ. et al. Источник: www.nature.com
Результаты очистки почвы

При обработке почвы в течение 60 минут ученые зафиксировали следующие показатели:

  • Полистирол (PS): подвижные микророботы удалили 80,6% частиц из почвы, а неподвижный материал — 70,7% (прирост за счет движения составил 9,9%).
  • Полиэтилентерефталат (PET): подвижные роботы извлекли 72,2% застрявших в грунте обломков бутылок, тогда как неподвижный материал смог связать только 52,5% (прирост за счет активного движения составил 19,7%).

Эксперимент доказал, что именно механическое воздействие вращающихся роботов позволяет сдергивать застрявшие частицы пластика с почвенных опорных точек, что недостижимо для любых пассивных фильтров.

Сравнительные показатели эффективности

Ниже приведены итоговые данные по удалению микропластика за 60 минут обработки:

Среда Тип пластика Режим работы микророботов Эффективность извлечения (%)
Вода Полистирол (1 мкм) Подвижный (динамический) 94,0%
Вода Полистирол (1 мкм) Неподвижный (статический) 81,1%
Вода ПЭТ-осколки (1-150 мкм) Подвижный (динамический) 89,2%
Вода ПЭТ-осколки (1-150 мкм) Неподвижный (статический) 74,4%
Почва Полистирол (1 мкм) Подвижный (динамический) 80,6%
Почва Полистирол (1 мкм) Неподвижный (статический) 70,7%
Почва ПЭТ-осколки (1-150 мкм) Подвижный (динамический) 72,2%
Почва ПЭТ-осколки (1-150 мкм) Неподвижный (статический) 52,5%
Ограничения технологии и направления дальнейших исследований

Несмотря на высокую эффективность, разработанная система пока не готова к массовому применению в сельском хозяйстве из-за проблемы химической безопасности никеля.

В процессе работы часть наночастиц никеля может окисляться или растворяться в воде с выделением ионов никеля (Ni²⁺). Никель относится к тяжелым металлам и при накоплении в грунте проявляет токсичность по отношению к растениям и почвенным организмам. Кроме того, в реальной почве сложно гарантировать стопроцентный возврат всех запущенных микророботов с помощью магнита.

Авторы исследования подчеркивают, что использование никеля было необходимым техническим допущением на этапе создания действующего прототипа. Основная задача фундаментального эксперимента заключалась в том, чтобы доказать саму возможность механического извлечения пластика из закрытой почвенной матрицы с помощью магнитоуправляемых микрочастиц.

Дальнейшая работа авторов будет сосредоточена на замене никеля без потери подвижности роботов:

  1. Поиск безопасных магнитных сплавов на основе железа и марганца, обладающих высокой коэрцитивной силой, но не выделяющих токсичных ионов.
  2. Создание защитных полимерных или углеродных оболочек вокруг магнитных ядер, предотвращающих контакт металла с почвенной влагой.
  3. Разработка мобильных магнитных установок для обработки верхних слоев пахотных земель непосредственно в полевых условиях.

Создание подвижных микророботов на основе 2D-материалов открывает путь к созданию точечных систем очистки замкнутых экосистем, где стандартные методы механической фильтрации или химической обработки не применимы.

Источник: NPG Asia Materials

1 комментарий

p
по тонне отходов на человека ???? сомнительно

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Обзор AOHI Future AI 280W (AOC-C022): настольная 6-портовая GaN-зарядка с честными 240 Вт (48В) на одном порту и без троттлинга

Мощных многопортовых зарядок сейчас хватает, но у большинства заявленные 250-300 Вт существуют только на коробке: через 10-15 минут нагрузки они сбрасывают мощность. AOHI AOC-C022 заявляет 280 Вт...

Обзор и сравнение моделей СЖО Ocypus Sigma L36: а только ли в дисплеях дело?

При выборе охладителя для своего процессора глаза просто разбегаются от количества предложенных вариантов на рынке. Каких только видов тех же дисплеев не представлено различными...

Почему защиту от мышей и зайцев нужно ставить уже в ноябре, а не ждать снега

Если вы ждете первого снега, чтобы укрыть стволы, вы уже опоздали. Самый пик повреждений приходится на те недели, когда сугробов еще нет, а земля уже схватилась морозом

Энергия рядом, но взять её нельзя. Главный парадокс термоядерного синтеза

Cама идея термоядерного синтеза выглядит совершенно великолепно и, что самое главное, технически просто. Но до сих пор ничего не получается. Что мешает нам самым главным образом?

✦ ИИ  Как убрать живот: почему дело не в прессе, а в том, как вы стоите и что под грудью

Как убрать живот: разбираем, почему выпирающий живот часто вызван смещением центра тяжести из-за неверной поддержки груди и что меняет правильно подобранный бюстгальтер.

Почему исландцы закапывали мясо акулы в землю, прежде чем его съесть

Пойманную акулу в Исландии могли разделать, уложить в яму и оставить там на несколько недель. Затем мясо доставали и подвешивали под навесом, где оно сохло ещё неделями или месяцами. Так готовили...