水資源短缺一直是一個限制經(jīng)濟和社會發(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)明的微型機器人在水中游動
眾所周知，機器人變革著人類社會，而微型機器人或許能為我們在污水中清除污染物和致病菌。就在幾天前，這類機器人已經(jīng)不再是天馬行空了!刊登在《ACS Applied Materials & Interfaces》雜志上的一項最新發(fā)明用簡單的化學(xué)方法將其變?yōu)榱爽F(xiàn)實。
該發(fā)明團隊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)會出過33位諾獎得主，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行消毒，但這樣一來，固然細菌是可以被殺死，但它們的遺體仍舊會留存在水中，而且高濃度消毒劑所產(chǎn)生的副作用也會對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 (micromotor)，它們利用簡單的分子系統(tǒng)或化學(xué)機制，能夠環(huán)境中實現(xiàn)自我推動。稍加改造，就可以制造出在水中吸附有機物、重金屬等污染物質(zhì)簡單靈巧的微型機器人。
圖丨納米銀微型機器人想象圖
研究團隊于是設(shè)計了這款具有納米銀涂層的球狀微型機器人(Janus microbots decorated with silver nanoparticles)。
簡而言之，這是一個直徑為 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整個機器人的行進。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，細菌一旦附著于球體表面，就會具有殺菌功效的納米銀殺死。
ACS Applied Materials & Interfaces對納米銀微型機器人的簡介
實驗室的測試表明，機器人能在水中工作 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菌的高效方法。
同時，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器人從水中取出，也能順便把死去的細菌脫出水體。
圖丨大腸桿菌電鏡照片
那么這種微型機器人到底是如何工作的呢?它如何實現(xiàn)自我推動?如何實現(xiàn)殺菌?
正如上文所述，機器人的“推動燃料”是其尾部的金屬鎂。在水中，鎂會與水分子反應(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單)。接著，這些氫氣會以小氣泡的形式從球體機器人尾部冒出來，從而推動機器人無規(guī)則游動。
而其殺菌功效主要來自納米銀微粒。在接觸到細菌細胞膜時，納米銀能夠釋放對其有害的銀離子，而細胞膜偏酸性的 pH 值則能加速銀離子的釋放，并使其附著于細菌表面。接著，銀離子就會與細菌蛋白質(zhì)中的硫醇基結(jié)合，并迅速破壞細胞膜的滲透性。最終，使細菌會溶解并死亡。
拋開細節(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的顆粒物，則大大增加了其反應(yīng)面積和速度，提高了對細菌的殺傷力。
圖丨細菌被銀離子殺死
況且，細菌喜歡附著于金屬表面。其細胞膜上的負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細菌有了吸附的作用，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，微型機器人就大功告成了。
制成后，科學(xué)家還對球狀機器人進行了一系列的測量。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，其實納米銀只有一點點。
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，其順序為：鎂、金、鐵、銀。從圖中我們能看到，鎂在整個球體上均勻分布，而其他的元素則只占用于殺菌的一端，不愧是名副其實的“兩面派”。
圖丨根據(jù)X光能譜繪制的元素分布圖，其順序為：鎂、金、鐵、銀
在機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菌，而下排紅色部分為死亡細菌。
測試包含了純凈水、純納米銀微粒、和納米銀微型機器人三個對照組;很明顯，純凈水中絕大部分細菌存活，純納米銀溶液出現(xiàn)了一定量的死亡細菌，而納米銀微型機器人成功地殺死了絕大部分細菌。說明這種機制確實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)對活細菌和死細菌的成像，綠色為存活細菌，紅色為死細菌;從左到右依次為：水、純納米銀顆粒、納米銀微型機器人
另一組熒光活性造影圖像則體現(xiàn)了各層金屬的功效?？茖W(xué)家分別把幾種對照金屬顆粒和微型機器人和放入污水中，并測試其周圍的細菌進行熒光成像。
在沒有加入納米銀加入的情況下，大量活細菌就粘附于鎂、鐵和金等金屬之上，體現(xiàn)了這些材料對細菌的吸引機制。在只有納米銀的情況下，圖中開始出現(xiàn)死去的細菌;事實證明，把具有粘附作用的鐵、金涂層和納米銀結(jié)合起來的機器人完全體簡直就是神器，周遭一片紅，死傷無數(shù)啊……
圖丨對幾顆粒物的熒光活性造影：普通金屬對細菌具有吸附作用，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值不同的水中測試其游動情況。
由于機器人靠鎂和氫氧根反應(yīng)推動，在鎂元素耗盡之時其壽命也就結(jié)束了。實驗證明機器人在酸性的環(huán)境下游動最快，pH=5.0時速度為27μm每秒，而隨著pH的增長速度下降，在pH=6.5時只能達到6μm每秒。
相對應(yīng)地，鎂元素消耗得約快，因此小機器人壽命越短。pH=5.0時其壽命只有12分鐘，而pH=6.5時長達20分鐘。
圖丨水體pH值與機器人游速的關(guān)系(左)和pH值與持續(xù)時間的關(guān)系(右)
同時，科學(xué)家描繪了小機器人在pH值不同的溶液中的運動軌跡，測量間隔為10秒鐘。酸性酸性溶液中的小機器人明顯運行距離較遠。
圖丨不同pH值下機器人在10秒鐘內(nèi)游過的路徑
另一組有關(guān)水體本身的對照試驗顯示，細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，這說明微型機器人在供人飲用的純水中效果更佳。
但是，微型機器人的反應(yīng)過程中會不可避免的產(chǎn)生其他金屬離子?？紤]到其主要推動力是鎂和氫氧根的反應(yīng)，生成物中會有大量的鎂離子，且因為其間也有鐵的涂層，水中也殘留了一定量的鐵離子。
不過不用擔(dān)心，這些殘留物都嚴格控制在世界衛(wèi)生組織(WHO)對飲用水的標(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對水中金屬元素的標(biāo)準(zhǔn)
至于主要殺菌劑銀離子，WHO對正常飲用水中銀離子的標(biāo)準(zhǔn)是少于0.005μg/mL，但對于存在需要殺菌處理的污染飲用水標(biāo)準(zhǔn)為0.1μg/mL，而這款小機器人成功地達到了這一要求。
無論如何，這樣一款原理易懂、制造簡單的機器人，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，發(fā)明創(chuàng)造離我們并不遠，就像這個利用了金屬與水反應(yīng)原理工作的機器人告訴我們，初高中知識也可以成為創(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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