Biohybride Mikroroboter könnten Mikro- und Nanoplastik aus aquatischen Umgebungen entfernen.

24. November 2023 
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Korrektur gelesen von Ingrid Fadelli, Phys.org

Meere, Ozeane, Flüsse und andere Gewässer auf der Erde sind in den letzten Jahrzehnten zunehmend verschmutzt worden, was das Überleben vieler Wasserlebewesen gefährdet. Diese Form der Verschmutzung nimmt vielfältige Formen an, darunter auch die Verbreitung von sogenanntem Mikro- und Nanoplastik.

Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei Mikro- und Nanoplastik um winzige schädliche Partikel, die beim Zerfall von Plastikmüll im Wasser entstehen. Es hat sich gezeigt, dass diese Partikel in aquatische Ökosysteme eingreifen, indem sie beispielsweise das Wachstum von Organismen verlangsamen, ihre Nahrungsaufnahme verringern und Fischlebensräume schädigen.

Es ist von größter Bedeutung, wirksame Technologien zur Entfernung dieser winzigen Partikel zu entwickeln, da dies zum Schutz gefährdeter Arten und ihrer natürlichen Umgebung beitragen könnte. Diese Technologien sollten sorgfältig konzipiert werden, um weitere Verschmutzung und Zerstörung zu verhindern; Daher sollten sie auf umweltfreundlichen Materialien basieren.

Forscher der Technischen Universität Brünn und der Mender-Universität in der Tschechischen Republik haben kürzlich biohybride Mikroroboter entwickelt, die Mikro- und Nanoplastik aus verschmutztem Wasser entfernen könnten, ohne weitere Verschmutzung zu verursachen. Diese Roboter, die in einem in Advanced Functional Materials veröffentlichten Artikel vorgestellt werden, integrieren biologische Materialien, insbesondere Algen, mit umweltfreundlichen Materialien, die auf externe Magnetfelder reagieren.

„Mitglieder unserer Forschungsgruppe untersuchten den Einsatz mehrschichtiger TiO2-Mikroroboter zum Einfangen von Nanoplastik“, sagte Xia Peng, Mitautorin des Artikels, gegenüber Phys.org. „Der ursprünglich vorgeschlagene Ansatz beinhaltete den Einbau von Edelmetallen wie Pt, um den Antrieb zu erleichtern, was zu den hohen Kosten und potenziellen Gefahren im Zusammenhang mit Mikrorobotern führte. Um dieses Problem anzugehen, haben wir untersucht, teure Metalle durch eine billigere und leicht in Massenproduktion herzustellende Alternative zu ersetzen.“ ."

Die Forscher versuchten kürzlich, kostengünstigere und umweltfreundlichere Materialien für ihre Roboter zu finden, um die Herausforderungen ihrer bisherigen Arbeit zu bewältigen. Insbesondere begann Peng, die Möglichkeit der Verwendung von Algenzellen zu erforschen, die leicht in Meeresumgebungen eingeführt werden könnten, ohne diese zu schädigen.

„Die neuen Roboter, die wir entwickelt haben, sogenannte magnetische Algenroboter (MARs), bestehen aus einer Kombination von Algen und umweltfreundlichen magnetischen Nanopartikeln“, erklärte Peng.

„Diese Roboter arbeiten unter dem Einfluss eines externen Magnetfelds und ermöglichen so eine präzise Steuerung ihrer Bewegung. Die negative Oberflächenladung von MARs wird auf das Vorhandensein von -COOH-Gruppen auf der Oberfläche von Algenzellen zurückgeführt. Im Gegensatz dazu sind Mikro-/Nano-Kunststoffe ausgewählt.“ weisen eine positive Oberflächenladung auf. Diese positiv-negative Wechselwirkung erleichtert die elektrostatische Anziehung und fördert so das gezielte Einfangen und Entfernen von Mikro-/Nanokunststoffen durch MARs.“

Die einzigartige Zusammensetzung der von den Forschern geschaffenen Roboter macht sie umweltfreundlich und reagiert auf von außen angelegte Magnetfelder. Dies könnte es ihnen ermöglichen, nano- und mikrogroße Kunststoffpartikel nachhaltig aus Gewässern zurückzugewinnen.

Peng und seine Kollegen bewerteten ihre Mikroroboter in einer Reihe von Tests und kamen zu bemerkenswerten Ergebnissen. Tatsächlich konnten sie mit hoher Präzision ferngesteuert werden und die meisten kleinen Plastikpartikel aus den Wassertanks entfernen, in die sie eingeführt wurden.

„Unsere Mikroroboter zeigten eine bemerkenswerte Entfernungseffizienz und erreichten eine Erfolgsquote von 92 % bei Nanoplastik und 70 % bei Mikroplastik“, sagte Peng. „In Zukunft könnten sie als vielversprechendes Instrument dienen, um die Plastikverschmutzung aktiv aus Gewässern zu entfernen, zu Umweltsanierungsbemühungen beizutragen und die Auswirkungen von Plastikmüll auf aquatische Ökosysteme abzumildern.“

Zukünftig könnten die von diesem Forscherteam entwickelten MARs im Meer und anderen Gewässern getestet und eingesetzt werden und so zur Entfernung giftiger Plastikrückstände beitragen. Bemerkenswert ist, dass die Roboter aus kostengünstigen Materialien und skalierbaren Herstellungsprozessen hergestellt werden, sodass sie eine kostengünstige Technologie zur Bekämpfung der Verschmutzung der Gewässer darstellen könnten.

„Unsere Roboter könnten möglicherweise den Bedarf an ressourcenintensiveren und teureren Strategien verringern, die derzeit zur Beseitigung von Plastikmüll eingesetzt werden“, fügte Peng hinzu.

'Our robots could potentially reduce the need for more resource-intensive and expensive strategies currently employed for plastic waste removal,' Peng added.

'Further research could focus on investigating the biocompatibility of MARs with aquatic ecosystems and assessing potential impacts on non-target organisms is crucial for understanding the environmental implications of their deployment. Also, I would also like to investigate how MARs can complement or be integrated with other technologies, such as sensors for real-time monitoring of plastic concentrations.'

Journal information: Advanced Functional Materials

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