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水资源短缺一直是一个限制经济和社会发展的致命难题。但大家也许有所不知的是,造成短缺的原因并非是水资源本身的匮乏,而是严重的水污染导致可利用的水资源变得弥足珍贵。
图丨新发明的微型机器人在水中游动
众所周知,机器人变革着人类社会,而微型机器人或许能为我们在污水中清除污染物和致病菌。就在几天前,这类机器人已经不再是天马行空了!刊登在《ACS Applied Materials & Interfaces》杂志上的一项最新发明用简单的化学方法将其变为了现实。
该发明团队源于德国马克思普克朗研究所的智能系统研究部门(Max-Planck Institute for Intelligent Systems)。马克思普克朗研究所以德国物理学家马克思˙普克朗命名,出过 33 位诺奖得主,以及各领域精英,也为我国培养了一批科研大牛。形象的说,马普所是欧洲学术诸神的老巢。
而微型机器人的研究由两位科学家 Diana Vilela 和 Samuel Sánchez Ordóñez 所领导。他们对受污染的水资源有着创新性的见解。
图丨马克思普克朗研究所的智能系统部门。马克思普克朗学会出过33位诺奖得主,以及各领域精英,也为我国培养了一批科研大牛
应对受污染的水源,传统的做法往往是使用氯或者其它消毒剂来进行消毒,但这样一来,固然细菌是可以被杀死,但它们的遗体仍旧会留存在水中,而且高浓度消毒剂所产生的副作用也会对人体造成一定的危害。
于是,研究人员想到了近年来在环境科学领域表现不凡的微型马达 (micromotor),它们利用简单的分子系统或化学机制,能够环境中实现自我推动。稍加改造,就可以制造出在水中吸附有机物、重金属等污染物质简单灵巧的微型机器人。
图丨纳米银微型机器人想象图
研究团队于是设计了这款具有纳米银涂层的球状微型机器人(Janus microbots decorated with silver nanoparticles)。
简而言之,这是一个直径为 15 微米的球状颗粒,它的一侧表面为镁,用于与水反应产生氢气小气泡来推动整个机器人的行进。而另外一面则依次附上了铁涂层、金涂层,和最表面的纳米银粒子,细菌一旦附着于球体表面,就会具有杀菌功效的纳米银杀死。
ACS Applied Materials & Interfaces对纳米银微型机器人的简介
实验室的测试表明,机器人能在水中工作 15 至 20 分钟,能够清除 80% 以上的大肠杆菌。大肠杆菌是科学家研究最透彻的一种细菌,也是人体器官中多种感染的致病菌之一,在食物和水体中常见。所以,我们需要找到清除该类细菌的高效方法。
同时,在使用结束之后,操作人员可以很方便的用磁铁将这些机器人从水中取出,也能顺便把死去的细菌脱出水体。
图丨大肠杆菌电镜照片
那么这种微型机器人到底是如何工作的呢?它如何实现自我推动?如何实现杀菌?
正如上文所述,机器人的“推动燃料”是其尾部的金属镁。在水中,镁会与水分子反应生成镁离子、氢氧根和氢气,其化学式如下(初中内容,大家可以感受一下有多简单)。接着,这些氢气会以小气泡的形式从球体机器人尾部冒出来,从而推动机器人无规则游动。
而其杀菌功效主要来自纳米银微粒。在接触到细菌细胞膜时,纳米银能够释放对其有害的银离子,而细胞膜偏酸性的 pH 值则能加速银离子的释放,并使其附着于细菌表面。接着,银离子就会与细菌蛋白质中的硫醇基结合,并迅速破坏细胞膜的渗透性。最终,使细菌会溶解并死亡。
抛开细节不说,大家可以从浅显易懂的角度考虑——我们生活中经常使用银作为饰品、容器,就是源于该金属的杀菌功效。而该研究吧银制成纳米级的颗粒物,则大大增加了其反应面积和速度,提高了对细菌的杀伤力。
图丨细菌被银离子杀死
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