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

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.

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.

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.

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.

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.

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:

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