Onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen in Stuttgart hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor de actieve afbraak van organische verontreinigende stoffen in oplossing met behulp van zwemmende micromotoren. De mobiele microcleaners bestaan ​​uit een buitenste ijzeren en een binnenste platinalaag, waardoor twee functionaliteiten worden gecombineerd. Waterstof peroxide, die aan de verontreinigde oplossing moet worden toegevoegd, fungeert als brandstof voor de platina-micromotoren en als reagens voor het afbreken van organische verontreinigende stoffen op de ijzerlaag. Er zijn niet veel methoden voor het succesvol reinigen van vervuild afvalwater. De Fenton-reactie, een van de meest populaire geavanceerde oxidatieprocessen voor de afbraak van organische verontreinigende stoffen, berust op spontane zure corrosie van het ijzeren micromotoroppervlak in aanwezigheid van waterstofperoxide. De wetenschappers melden dat de oxidatie van organische verontreinigende stoffen die wordt bereikt door een zwerm van deze zelfrijdende microjets twaalf keer hoger is dan bij het gebruik van immobiele ijzeren microbuisjes.

Gemeenschappelijke waterbehandelingsmethoden zijn inefficiënt in het verwijderen van de meeste soorten organische verontreinigende stoffen. Minerale oliën, pesticiden, organische oplosmiddelen, verven en organochloriden kunnen niet worden verwijderd met chloride, ozon- of flocculatiemethoden die deel uitmaken van reguliere waterverwerkingsprocedures. De Fenton-reactie, anderzijds, is zeer efficiënt in het verwijderen van deze verontreinigende stoffen. De term 'Fenton-reactie' verwijst naar het gebruik van een combinatie van ijzer en waterstofperoxide om organische verontreinigende stoffen te oxideren, waardoor ze worden afgebroken tot koolstofdioxide en water. De meertrapsreactie wordt gekatalyseerd door Fe(II)-ionen. De groep van Samuel Sánchez van het Max Planck Institute for Intelligent Systems heeft nu het beste van twee werelden gecombineerd en een tweelaags, zelfrijdende versie van dit microscopisch reinigingssysteem. Hun microjets hebben een binnenste platina-micromotor aangedreven door waterstofperoxide en een buitenste reinigingslaag waar waterstofperoxide reageert met organische verontreinigende stoffen in de aanwezigheid van ijzer. De Fe(II)-ionen die nodig zijn als katalysatoren voor de Fenton-reactie worden gevormd wanneer het ijzer op het buitenste buisoppervlak in contact komt met water.

Om hun mobiele reinigingssystemen te produceren, de onderzoekers gebruikten een methode voor het oprollen van dunne metaalfilms die pas een paar jaar geleden is ontwikkeld. Ze verdampten een 100-200 nanometer dunne laag ijzer op een glazen oppervlak bedekt met een dicht patroon van uitgelijnde lakvierkanten. In een tweede stap, de onderzoekers voegden een platinalaag toe van slechts één nanometer dik, met behulp van een speciale sputtertechniek. Door de verschillende mechanische eigenschappen van de metalen, de dubbele laag begint zich op te rollen tot een buisvorm zodra de laklaag verwijderd is. "Deze techniek stelt ons in staat grote aantallen multifunctionele buizen te produceren", zegt Samuel Sánchez, het hoofd van de Max Planck Research Group in Stuttgart.

Zuurstofbellen veranderen de microbuisjes in een straalmotor

De platinalaag fungeert als motor, omdat, net als ijzer, het katalyseert een chemische reactie met het oxidatiemiddel waterstofperoxide. "Waterstofperoxide fungeert als brandstof voor onze miniatuuronderzeeërs, " legt Luis Soler uit, een wetenschapper in de onderzoeksgroep. Wanneer waterstofperoxide en platina reageren, platina werkt als een katalysator voor de ontleding van waterstofperoxide in water en zuurstof, waardoor er kleine belletjes ontstaan. Naarmate er meer en meer bubbels worden geproduceerd, ze ontsnappen uit de buis. aanvankelijk, verschillende hoeveelheden zuurstof verlaten aan weerszijden van de buis en de buis wordt willekeurig door een jet aangedreven. Zodra de buis een bepaalde snelheid heeft bereikt, Hoewel, alle bubbels ontsnappen naar één kant, en de buis wordt in de tegenovergestelde richting van de ontsnappende bellen geduwd, waardoor er meer brandstof in de voorkant komt.

Het oorspronkelijke idee om platina-micromotoren te omhullen met een ijzeren laag kwam tot leven terwijl de wetenschappers aan een heel ander probleem dachten. Typische visies op de technologische mogelijkheden van toekomstige micro- en nanomotoren zijn onder meer het snelle transport van farmaceutische middelen naar specifieke doelgebieden zoals tumorcellen, bijvoorbeeld. Bij aankomst, ze zouden als een nanocanule door het celmembraan boren en het actieve middel rechtstreeks in de doelcel injecteren. Echter, één groot obstakel blijft het bereiken van deze visie in de weg staan:waterstofperoxide, zoals alle andere brandstoffen die voor deze motoren zijn ontwikkeld, schaadt levende organismen. En hier komt het idee voor een nieuwe toepassing om de hoek kijken:de wetenschappers besloten hun micromotoren in te zetten op plaatsen waar het gebruik van waterstofperoxide geen nadeel is, maar vervult eerder een belangrijke functie als co-reagens.

Een nieuwe remedie tegen verfresten en pesticiden

Omdat de ijzerlaag ook magnetisch is, de buizen kunnen worden gestuurd naar verontreinigende stoffen die moeilijk te bereiken zijn en ze kunnen worden teruggewonnen nadat hun werk is gedaan. En, overtollig waterstofperoxide heeft geen invloed op de latere waterverwerking, omdat het stabiel is, maar traag, door zonlicht afgebroken tot water en zuurstof.

Samuel Sánchez legt de motivatie van de groep uit, "We wilden micromotoren bouwen die een zinvolle toepassing hebben." Vervolgens wijst hij erop:“De grootste beperking is dat deze vorm van watersanering alleen op kleine schaal werkt, zo ver. Daarom, de weg naar industriële toepassing is nog lang en bochtig." deze nieuwe technologie effent de weg naar het gebruik van multifunctionele micromotoren voor milieutoepassingen. Luis Soler voegt toe, "Ik kan me goed voorstellen dat deze micromotoren ooit met succes zullen dienen om water te zuiveren van verfresten uit de textielindustrie en pesticiden uit de landbouw."