Forskare från Max Planck -institutet för intelligenta system i Stuttgart har utvecklat en ny metod för aktiv nedbrytning av organiska föroreningar i lösning med hjälp av simmikromotorer. De mobila mikrorensarna består av ett yttre järn och ett inre platinaskikt, därigenom kombineras två funktioner. Väteperoxid, som måste tillsättas till den förorenade lösningen, fungerar som bränsle för platina mikromotorer och som reagens för nedbrytning av organiska föroreningar på järnskiktet. Det finns inte många metoder för en framgångsrik rengöring av förorenade avloppsvatten. Fenton -reaktionen, en av de mest populära avancerade oxidationsprocesserna för nedbrytning av organiska föroreningar, förlitar sig på spontan sur korrosion av järnmikromotorytan i närvaro av väteperoxid. Forskarna rapporterar att oxidationen av organiska föroreningar som uppnås genom en svärm av dessa självgående mikrostrålar är tolv gånger högre än vid användning av orörliga järnmikrorör.

Vanliga vattenreningsmetoder är ineffektiva för att avlägsna de flesta typer av organiska föroreningar. Mineraloljor, bekämpningsmedel, organiska lösningsmedel, färger och organoklorider kan inte avlägsnas med hjälp av korid, ozon- eller flockningsmetoder som ingår i vanliga förfaranden för vattenbearbetning. Fenton -reaktionen, å andra sidan, är mycket effektivt för att avlägsna dessa föroreningar. Termen 'Fentonreaktion' avser användningen av en kombination av järn och väteperoxid för att oxidera organiska föroreningar, därigenom bryts de ner till koldioxid och vatten. Flerstegsreaktionen katalyseras av Fe (II) -joner. Gruppen Samuel Sánchez vid Max Planck Institute for Intelligent Systems har nu kombinerat det bästa av två världar och skapat ett tvåskiktat, självgående version av detta mikroskopiska rengöringssystem. Deras mikrostrålar har en inre platinamikromotor som drivs av väteperoxid och ett yttre rengöringsskikt där väteperoxid reagerar med organiska föroreningar i närvaro av järn. Fe (II) -jonerna som behövs som katalysatorer för Fenton -reaktionen bildas när järnet på den yttre rörytan skapar kontakt med vatten.

För att producera sina mobila rengöringssystem, forskarna använde en metod för att rulla ihop tunna metallfilmer som utvecklades för bara några år sedan. De indunstade ett 100-200 nanometer tunt lager av järn på en glasyta belagd med ett tätt mönster av inriktade lackfält. I ett andra steg, forskarna lade till ett platinaskikt med bara en nanometertjocklek, med hjälp av en speciell förstoftningsteknik. På grund av metallernas olika mekaniska egenskaper, det dubbla lagret börjar rulla upp till en rörform när lackskiktet har tagits bort. "Denna teknik gör att vi kan producera ett stort antal multifunktionella rör", säger Samuel Sánchez, chef för Max Planck Research Group i Stuttgart.

Syrebubblor gör mikrorören till en jetmotor

Platinaskiktet fungerar som en motor, eftersom, ungefär som järn, det katalyserar en kemisk reaktion med oxidationsmedlet väteperoxid. "Väteperoxid fungerar som bränsle för våra miniatyrubåtar, "förklarar Luis Soler, en forskare i forskargruppen. När väteperoxid och platina reagerar, platina fungerar som en katalysator för sönderdelning av väteperoxid i vatten och syre, därigenom bildas små bubblor. När fler och fler bubblor produceras, de flyr från röret. Initialt, olika mängder syreutgång på vardera sidan av röret och röret är slumpmässigt jetdrivet. Så snart röret har nått en viss hastighet, fastän, alla bubblor flyr åt sidan, och röret skjuts in i motsatt riktning av de rymande bubblorna, därmed matas mer bränsle in i framänden.

Den första idén att innesluta platina -mikromotorer med ett järnlager kom till liv medan forskarna tänkte på ett helt annat problem. Typiska visioner om de tekniska möjligheterna för framtida mikro- och nanomotorer inkluderar snabb transport av farmaceutiska medel till specifika målområden som tumörceller, till exempel. Vid ankomsten, de skulle borra genom cellmembranet som en nanokanula och injicera det aktiva medlet direkt i målcellen. Dock, ett stort hinder kvarstår för att uppnå denna vision:väteperoxid, som alla andra bränslen som har utvecklats för dessa motorer, skadar levande organismer. Och det är här som idén till en ny applikation kommer in:forskarna bestämde sig för att använda sina mikromotorer på platser där användningen av väteperoxid inte är en nackdel, utan tjänar snarare en viktig funktion som samreagens.

Ett nytt botemedel mot färgrester och bekämpningsmedel

Eftersom järnskiktet också är magnetiskt, rören kan styras till föroreningar som är svåra att nå och de kan återvinnas efter att deras jobb är gjort. Och, överflödig väteperoxid påverkar inte efterföljande vattenbehandling, för det är stadigt, men långsamt, nedbrytas till vatten och syre av solljus.

Samuel Sánchez förklarar gruppens motivation, "Vi ville konstruera mikromotorer som har en meningsfull tillämpning." Sedan påpekar han:"Den största begränsningen är att denna typ av vattenrening bara fungerar i liten skala, än så länge. Därför, vägen till industriell tillämpning är fortfarande lång och slingrande. "Men denna nya teknik banar väg för användning av multifunktionella mikromotorer för miljöapplikationer. Luis Soler tillägger, "Jag kan mycket väl tänka mig att dessa mikromotorer en dag framgångsrikt kommer att tjäna till att rena vatten från färgrester från textilindustrin och bekämpningsmedel från jordbruket."