水資源短缺一直是一個(gè)限制經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的致命難題。但大家也許有所不知的是，造成短缺的原因并非是水資源本身的匱乏，而是嚴(yán)重的水污染導(dǎo)致可利用的水資源變得彌足珍貴。
圖丨新發(fā)明的微型機(jī)器人在水中游動(dòng)
眾所周知，機(jī)器人變革著人類社會(huì)，而微型機(jī)器人或許能為我們?cè)谖鬯星宄廴疚锖椭虏【?。就在幾天前，這類機(jī)器人已經(jīng)不再是天馬行空了!刊登在《ACS Applied Materials & Interfaces》雜志上的一項(xiàng)最新發(fā)明用簡(jiǎn)單的化學(xué)方法將其變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)。
該發(fā)明團(tuán)隊(duì)源于德國馬克思普克朗研究所的智能系統(tǒng)研究部門(Max-Planck Institute for Intelligent Systems)。馬克思普克朗研究所以德國物理學(xué)家馬克思˙普克朗命名，出過 33 位諾獎(jiǎng)得主，以及各領(lǐng)域精英，也為我國培養(yǎng)了一批科研大牛。形象的說，馬普所是歐洲學(xué)術(shù)諸神的老巢。
而微型機(jī)器人的研究由兩位科學(xué)家 Diana Vilela 和 Samuel Sánchez Ordó?ez 所領(lǐng)導(dǎo)。他們對(duì)受污染的水資源有著創(chuàng)新性的見解。
圖丨馬克思普克朗研究所的智能系統(tǒng)部門。馬克思普克朗學(xué)會(huì)出過33位諾獎(jiǎng)得主，以及各領(lǐng)域精英，也為我國培養(yǎng)了一批科研大牛
應(yīng)對(duì)受污染的水源，傳統(tǒng)的做法往往是使用氯或者其它消毒劑來進(jìn)行消毒，但這樣一來，固然細(xì)菌是可以被殺死，但它們的遺體仍舊會(huì)留存在水中，而且高濃度消毒劑所產(chǎn)生的副作用也會(huì)對(duì)人體造成一定的危害。
于是，研究人員想到了近年來在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)不凡的微型馬達(dá) (micromotor)，它們利用簡(jiǎn)單的分子系統(tǒng)或化學(xué)機(jī)制，能夠環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自我推動(dòng)。稍加改造，就可以制造出在水中吸附有機(jī)物、重金屬等污染物質(zhì)簡(jiǎn)單靈巧的微型機(jī)器人。
圖丨納米銀微型機(jī)器人想象圖
研究團(tuán)隊(duì)于是設(shè)計(jì)了這款具有納米銀涂層的球狀微型機(jī)器人(Janus microbots decorated with silver nanoparticles)。
簡(jiǎn)而言之，這是一個(gè)直徑為 15 微米的球狀顆粒，它的一側(cè)表面為鎂，用于與水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣小氣泡來推動(dòng)整個(gè)機(jī)器人的行進(jìn)。而另外一面則依次附上了鐵涂層、金涂層，和最表面的納米銀粒子，細(xì)菌一旦附著于球體表面，就會(huì)具有殺菌功效的納米銀殺死。
ACS Applied Materials & Interfaces對(duì)納米銀微型機(jī)器人的簡(jiǎn)介
實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試表明，機(jī)器人能在水中工作 15 至 20 分鐘，能夠清除 80% 以上的大腸桿菌。大腸桿菌是科學(xué)家研究最透徹的一種細(xì)菌，也是人體器官中多種感染的致病菌之一，在食物和水體中常見。所以，我們需要找到清除該類細(xì)菌的高效方法。
同時(shí)，在使用結(jié)束之后，操作人員可以很方便的用磁鐵將這些機(jī)器人從水中取出，也能順便把死去的細(xì)菌脫出水體。
圖丨大腸桿菌電鏡照片
那么這種微型機(jī)器人到底是如何工作的呢?它如何實(shí)現(xiàn)自我推動(dòng)?如何實(shí)現(xiàn)殺菌?
正如上文所述，機(jī)器人的“推動(dòng)燃料”是其尾部的金屬鎂。在水中，鎂會(huì)與水分子反應(yīng)生成鎂離子、氫氧根和氫氣，其化學(xué)式如下(初中內(nèi)容，大家可以感受一下有多簡(jiǎn)單)。接著，這些氫氣會(huì)以小氣泡的形式從球體機(jī)器人尾部冒出來，從而推動(dòng)機(jī)器人無規(guī)則游動(dòng)。
而其殺菌功效主要來自納米銀微粒。在接觸到細(xì)菌細(xì)胞膜時(shí)，納米銀能夠釋放對(duì)其有害的銀離子，而細(xì)胞膜偏酸性的 pH 值則能加速銀離子的釋放，并使其附著于細(xì)菌表面。接著，銀離子就會(huì)與細(xì)菌蛋白質(zhì)中的硫醇基結(jié)合，并迅速破壞細(xì)胞膜的滲透性。最終，使細(xì)菌會(huì)溶解并死亡。
拋開細(xì)節(jié)不說，大家可以從淺顯易懂的角度考慮——我們生活中經(jīng)常使用銀作為飾品、容器，就是源于該金屬的殺菌功效。而該研究吧銀制成納米級(jí)的顆粒物，則大大增加了其反應(yīng)面積和速度，提高了對(duì)細(xì)菌的殺傷力。
圖丨細(xì)菌被銀離子殺死
況且，細(xì)菌喜歡附著于金屬表面。其細(xì)胞膜上的負(fù)電荷與金屬表面存在相互作用(包括靜電作用和范德華力)這樣的性質(zhì)使得球體頭部的金涂層對(duì)細(xì)菌有了吸附的作用，最終分散在金涂層表面的納米銀得以一展身手。
而且，微型機(jī)器人的制備也并不復(fù)雜，說白了就是在鎂金屬球上裹上一層一層的涂料。
圖丨納米銀微型機(jī)器人的制備過程
具體而言，就是 1) 先制備出若干直徑為15微米左右的鎂金屬球，2) 然后將其放置玻璃片上，用金屬蒸鍍機(jī)分別鍍上一層14納米厚的鐵和35納米厚的金。3) 為了在化學(xué)層面上調(diào)整金涂層表面， 這些金屬球接著會(huì)被放入半胱胺鹽酸鹽的乙醇溶液中。4) 最后，納米銀顆粒與通過涂層表面的銨根附著，固定在球體前部，微型機(jī)器人就大功告成了。
制成后，科學(xué)家還對(duì)球狀機(jī)器人進(jìn)行了一系列的測(cè)量。在電鏡照片中(下圖左)，球體上鍍有納米銀和其他物質(zhì)的一端和只有金屬鎂裸露的一端都清晰可見;而X光能譜(下圖右)則反映了球體上每種元素的分布狀況，如圖所示——鎂元素含量最高，金元素第二，其實(shí)納米銀只有一點(diǎn)點(diǎn)。
下圖是根據(jù) X 光能譜繪制的元素分布圖，描述了每種元素在球體上的分布，其順序?yàn)椋烘V、金、鐵、銀。從圖中我們能看到，鎂在整個(gè)球體上均勻分布，而其他的元素則只占用于殺菌的一端，不愧是名副其實(shí)的“兩面派”。
圖丨根據(jù)X光能譜繪制的元素分布圖，其順序?yàn)椋烘V、金、鐵、銀
在機(jī)器人的工作完成之后，科學(xué)家通過熒光活性造影技術(shù)探查了水體的殺菌情況，上排綠色部分為存活細(xì)菌，而下排紅色部分為死亡細(xì)菌。
測(cè)試包含了純凈水、純納米銀微粒、和納米銀微型機(jī)器人三個(gè)對(duì)照組;很明顯，純凈水中絕大部分細(xì)菌存活，純納米銀溶液出現(xiàn)了一定量的死亡細(xì)菌，而納米銀微型機(jī)器人成功地殺死了絕大部分細(xì)菌。說明這種機(jī)制確實(shí)能將金屬銀的殺菌功效提高百倍。
圖丨熒光活性造影技術(shù)對(duì)活細(xì)菌和死細(xì)菌的成像，綠色為存活細(xì)菌，紅色為死細(xì)菌;從左到右依次為：水、純納米銀顆粒、納米銀微型機(jī)器人
另一組熒光活性造影圖像則體現(xiàn)了各層金屬的功效。科學(xué)家分別把幾種對(duì)照金屬顆粒和微型機(jī)器人和放入污水中，并測(cè)試其周圍的細(xì)菌進(jìn)行熒光成像。
在沒有加入納米銀加入的情況下，大量活細(xì)菌就粘附于鎂、鐵和金等金屬之上，體現(xiàn)了這些材料對(duì)細(xì)菌的吸引機(jī)制。在只有納米銀的情況下，圖中開始出現(xiàn)死去的細(xì)菌;事實(shí)證明，把具有粘附作用的鐵、金涂層和納米銀結(jié)合起來的機(jī)器人完全體簡(jiǎn)直就是神器，周遭一片紅，死傷無數(shù)啊……
圖丨對(duì)幾顆粒物的熒光活性造影：普通金屬對(duì)細(xì)菌具有吸附作用，納米銀具有殺傷作用
而為了凈化污水，小機(jī)器人需要在各種環(huán)境中工作。于是，研究者將其置于pH值不同的水中測(cè)試其游動(dòng)情況。
由于機(jī)器人靠鎂和氫氧根反應(yīng)推動(dòng)，在鎂元素耗盡之時(shí)其壽命也就結(jié)束了。實(shí)驗(yàn)證明機(jī)器人在酸性的環(huán)境下游動(dòng)最快，pH=5.0時(shí)速度為27μm每秒，而隨著pH的增長速度下降，在pH=6.5時(shí)只能達(dá)到6μm每秒。
相對(duì)應(yīng)地，鎂元素消耗得約快，因此小機(jī)器人壽命越短。pH=5.0時(shí)其壽命只有12分鐘，而pH=6.5時(shí)長達(dá)20分鐘。
圖丨水體pH值與機(jī)器人游速的關(guān)系(左)和pH值與持續(xù)時(shí)間的關(guān)系(右)
同時(shí)，科學(xué)家描繪了小機(jī)器人在pH值不同的溶液中的運(yùn)動(dòng)軌跡，測(cè)量間隔為10秒鐘。酸性酸性溶液中的小機(jī)器人明顯運(yùn)行距離較遠(yuǎn)。
圖丨不同pH值下機(jī)器人在10秒鐘內(nèi)游過的路徑
另一組有關(guān)水體本身的對(duì)照試驗(yàn)顯示，細(xì)菌在磷酸鹽溶液中更容易存活，而在純水中則難以獲得養(yǎng)分，這說明微型機(jī)器人在供人飲用的純水中效果更佳。
但是，微型機(jī)器人的反應(yīng)過程中會(huì)不可避免的產(chǎn)生其他金屬離子。考慮到其主要推動(dòng)力是鎂和氫氧根的反應(yīng)，生成物中會(huì)有大量的鎂離子，且因?yàn)槠溟g也有鐵的涂層，水中也殘留了一定量的鐵離子。
不過不用擔(dān)心，這些殘留物都嚴(yán)格控制在世界衛(wèi)生組織(WHO)對(duì)飲用水的標(biāo)準(zhǔn)之下，也就是鎂離子10-50mg/mL和鐵離子的0.3mg/mL。然而目前還沒有對(duì)金離子的明確標(biāo)準(zhǔn)(金本身也很難被氧化，所以水中少有金離子)。
圖丨WHO對(duì)水中金屬元素的標(biāo)準(zhǔn)
至于主要?dú)⒕鷦┿y離子，WHO對(duì)正常飲用水中銀離子的標(biāo)準(zhǔn)是少于0.005μg/mL，但對(duì)于存在需要?dú)⒕幚淼奈廴撅嬘盟畼?biāo)準(zhǔn)為0.1μg/mL，而這款小機(jī)器人成功地達(dá)到了這一要求。
無論如何，這樣一款原理易懂、制造簡(jiǎn)單的機(jī)器人，居然能在污水處理上大顯身手，再次見證了工程師大神們的腦洞。
其實(shí)，發(fā)明創(chuàng)造離我們并不遠(yuǎn)，就像這個(gè)利用了金屬與水反應(yīng)原理工作的機(jī)器人告訴我們，初高中知識(shí)也可以成為創(chuàng)新的基石。希望科學(xué)家能夠再接再厲，繼續(xù)用腦洞改變世界。
來源:DeepTech深科技
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