Микророботы научились удалять до 94% микропластика из воды

Учёные разработали микроскопических роботов, способных собирать частицы микропластика из воды и почвы. В лабораторных испытаниях технология позволила удалить до 94% полистирола из воды и более 80% — из модельного грунта.

Описание технологии опубликовано в журнале NPG Asia Materials. Разработка основана на материале MXene — ультратонких слоистых частицах с большой площадью поверхности, способных притягивать загрязнители. Чтобы сделать их управляемыми, исследователи нанесли на частицы магнитные наночастицы никеля.

Под действием внешнего вращающегося магнитного поля микророботы начинают двигаться, вращаться и перемещаться через заполненные водой поры в почве. Во время движения они сталкиваются с частицами пластика, удерживают их на своей поверхности и переносят вместе с собой.

После завершения очистки роботов вместе с собранным микропластиком извлекают из среды магнитом.

В воде результат оказался выше 90%

В лабораторных образцах воды микророботы примерно за час удалили около 94% частиц полистирола и 89% полиэтилентерефталата — ПЭТ.

В модельной почве эффективность оказалась ниже, но также значительной: около 81% полистирола и 72% ПЭТ.

Исследователи сравнили эти результаты с обычными частицами MXene, которые не двигались под действием магнитного поля и работали только как пассивный сорбент. Активное перемещение заметно повысило эффективность удаления пластика.

Особенно это важно для почвы, где микропластик может застревать между минеральными частицами и органическим веществом. Обычные методы промывки или фильтрации здесь малоэффективны, тогда как микророботы способны проникать в небольшие водонасыщенные пространства внутри грунта.

Почему используется MXene

MXene — класс двумерных материалов на основе переходных металлов и углерода или азота. Их структура обеспечивает большую активную поверхность и позволяет связывать различные загрязняющие вещества.

В новой системе этот материал выполняет сразу две функции: служит основой микроробота и поверхностью, к которой прикрепляется пластик.

Никелевые наночастицы нужны для управления движением. Внешнее магнитное поле заставляет частицы перемещаться без встроенных двигателей, аккумуляторов или проводов.

Поэтому сама конструкция микроробота остаётся относительно простой: это не миниатюрный механизм в привычном понимании, а управляемая магнитная частица с функциональной поверхностью.

Главное преимущество — активный поиск загрязнения

Большинство существующих методов удаления микропластика из воды основаны на фильтрации, мембранах, флотации или сорбции. Они требуют, чтобы загрязнённая вода сама прошла через фильтр или контактировала с материалом.

Микророботы действуют иначе. Они активно перемещаются внутри среды и увеличивают вероятность контакта с частицами пластика.

Это особенно интересно для загрязнённых почв и донных отложений, где микропластик распределён неравномерно и физически связан с частицами грунта.

Теоретически технология может использоваться для локальной очистки сильно загрязнённых участков, сточных вод, промышленных резервуаров или небольших водоёмов.

До реального применения ещё далеко

Пока все испытания проводились в контролируемых лабораторных условиях. Реальная почва значительно сложнее модельной: в ней присутствуют глина, гумус, микроорганизмы, соли и множество других частиц, которые могут влиять на движение и эффективность роботов.

Отдельный вопрос — безопасность самой технологии.

Никель способен быть токсичным для живых организмов, поэтому необходимо исключить выщелачивание ионов металла в окружающую среду. Не менее важно обеспечить практически полное извлечение микророботов после очистки.

Если часть частиц останется в почве или воде, технология сама может стать источником нового загрязнения.

Также предстоит оценить стоимость производства MXene, срок службы микророботов, возможность их многократного использования и эффективность работы на больших площадях.

Поэтому результаты пока нельзя рассматривать как готовый способ очистки рек или сельскохозяйственных земель. Но технология показывает новый подход: вместо того чтобы заставлять загрязнённую среду проходить через очистное оборудование, можно направлять сам очистительный материал непосредственно к загрязнителю.