微纳米机器人，吞掉微塑料！

纳米人

2022-08-24

2004，英国普利茅斯大学的汤普森等人在《Science》中首次提出“微塑料”的概念，指出微塑料的化学性质稳定，能在环境中存在千年之久。微塑料在水体、土壤、空气甚至生物体内广泛存在。对比“白色污染”塑料，微塑料具有尺寸更小，传播路径更远等特点，国际上已经将微塑料界定为新型污染物，其在环境中的快速降解与即时检测也成为当前最紧迫的问题之一。

微纳米机器人 (Micro/nanorobots) 作为一种可以将环境中能量转化为机械动能的新型微纳米器件，通过其微纳米尺度的自主运动特性与材料物理化学性质结合，在环境修复、生物医学、传感、微电子等领域都有广泛的应用。微/纳米机器人克服了微流体层流中被动扩散的限制，其自主运动特性增强了与污染物的相互作用，有望加速微塑料的净化和检测过程。但是目前微纳米机器人面临着：(1) 驱动燃料多为H₂O₂，具有环境污染性；(2) 由于重力作用，运动行为多在2D平面上展开，缺少3D运动功能。

成果简介

近日，布尔诺工业大学Martin Pumera，通过多功能MXene氧化物微型机器人进行运动捕获三维空间纳米塑料。这种微型机器人将Ti₃C₂T_x MXene热煅烧处理的方法组装到具有光催化活性的多层TiO2中，随后沉积Pt层和磁性γ-Fe2O3，构建了具有负向光引力运动的能力的γ-Fe2O3/Pt/TiO2微型机器，在光照条件和没有燃料的条件具有6个运动自由度，通过pH可编程的表面电位实现了微塑料在微纳米机器人表面的吸附，并且可以通过便携式电化学阻抗谱 (EIS) 实现微塑料的定量检测，成果发表在Nature Communication上。德国格莱夫斯瓦尔德大学医学院免疫与输血医学研究所Raghavendra Palankar在Nature Nanotechnology上对该工作进行了评论并给予了高度评价。

微/纳米机器人在水中的3D负趋光性运动

研究者通过在空气中对手风琴状Ti₃C₂T_x MXene 微米颗粒进行550℃退火，在基本不改变形貌的前提下将其转变成TiO₂微米颗粒。随后的组成不对称对于微纳米机器人的驱动尤为关键，在没有Pt层存在的情况下，MXene TiO₂微纳米机器人只能在H₂O₂中运动；Pt层的加入使得MXene γ-Fe₂O₃/Pt/ TiO₂微纳米机器人可以通过光解水在水中进行驱动。通过改变UV的入射方向可以调控微纳米机器人2D/3D运动的切换，即UV垂直入射导致的负重力轴现象，从而赋予微纳米机器人6个运动自由度。

图| MXene γ-Fe₂O₃/Pt/ TiO₂微纳米机器人的3D运动

进一步探究马达的运动设计，Pt层的引入使得系统形成金属/半导体肖特基结，在UV照射下，电子从TiO₂价带跃迁，转移到Pt上而在TiO₂价带留下空穴，从而在Pt和TiO₂发生水的光解产生H⁺浓度梯度，进而形成自建电场，通过自电泳驱动微纳米机器人。同时，Pt层的连续性对马达速度有很大的影响，连续Pt层相较分散Pt层 (退火得到) 可以形成较大的反应电流，进而赋予马达更大的驱动力。

图| MXene γ-Fe₂O₃/Pt/ TiO₂微纳米机器人运动机理分析与理论模拟

通过可编程表面电位进行微塑料快速富集

研究者采用50 nm的羧基聚苯乙烯颗粒作为微塑料演示物，并采用NTA技术对溶液中微塑料的平均粒径、浓度进行检测以搭建实验平台。

图| NTA技术定量检测微塑料

随后，微塑料与微纳米机器人之间的静电引力被当作“机械手”配合微纳米机器人的自主运动对水中的微塑料进行快速收集，相对于不可运动的MXene TiO2，MXene γ-Fe2O3/Pt/TiO2在1min内即可收集97%的微塑料，5 min内可实现微塑料的快速全面清扫，并且相对于传统材料展现出极快的清扫效率。

图| MXene γ-Fe₂O₃/Pt/ TiO₂微纳米机器人的快速微塑料收集

微塑料快速定量测试

微塑料的快速检测一直是该领域的一个问题，目前检测设备体积较为庞大且价格较高 (如NTA等)，该工作中研究者将微纳米机器人与商用的SPEs结合，在SPEs背面装上磁铁，便于使收集微塑料后的微纳米机器人更快的沉底到电极上，使导电膜的电阻增加，从而影响EIS图谱，实现微塑料的快速定量检测。

图| MXene γ-Fe₂O₃/Pt/ TiO₂微纳米机器人的快速微塑料检测

小结

参考文献

[1] Palankar, R. Microrobots mop-up nanoplastics. Nat. Nanotechnol. 17, 821 (2022)

DOI: 10.1038/s41565-022-01199-w

https://doi.org/10.1038/s41565-022-01199-w

[2] Urso, M., Ussia, M., Novotný, F. et al. Trapping and detecting nanoplastics by MXene-derived oxide microrobots. Nat Commun 13, 3573 (2022)

DOI: 10.1038/s41467-022-31161-2

https://www.nature.com/articles/s41467-022-31161-2

[3] Urso M, Pumera M. Nano/Microplastics Capture and Degradation by Autonomous Nano/Microrobots: A Perspective. Advanced Functional Materials, 32, 2112120 (2022)

DOI: 10.1002/a