13/05/2024
Door Ad Spijkers
Zwermen miniatuurrobots ruimen tegelijkertijd microplastics en microben op.
Wanneer oude voedselverpakkingen, weggegooid kinderspeelgoed en ander slecht beheerd kunststofafval uiteenvallen in microplastics, wordt het nog moeilijker om ze uit de oceanen en waterwegen te halen. De kleine stukjes kunststof trekken ook bacteriën aan, inclusief de bacteriën die ziekten veroorzaken. In een onderzoek van de American Chemical Society in Washington D.C. beschrijven wetenschappers zwermen robots op microschaal (microrobots) die stukjes kunststof en bacteriën uit water vangen. Daarna worden de bots ontsmet en hergebruikt.
Probleemstelling
De grootte van microplastics (5 mmm of kleiner) voegt een nieuwe dimensie toe aan het probleem van vervuiling door kunststoffen. Dieren kunnen ze eten, waardoor ze mogelijk schade oplopen of de deeltjes in de voedselketen terechtkomen die eindigt bij de mens. Tot nu toe zijn de gezondheidseffecten voor mensen nog niet volledig duidelijk.
Microplastics zelf zijn echter niet de enige zorg. Deze stukjes trekken bacteriën aan (waaronder ziekteverwekkers) die óók kunnen worden ingenomen. Om tegelijkertijd microben en plastic uit water te verwijderen, wendden onderzoekers zich tot robotsystemen op microschaal, bestaande uit vele kleine componenten. Deze werken samen en bootsen natuurlijke zwermen na, zoals scholen vissen.
Om de bots te construeren, koppelde het onderzoeksteam strengen van een positief geladen polymeer aan magnetische microdeeltjes, die alleen bewegen als ze worden blootgesteld aan een magnetisch veld. De polymeerstrengen, die uit het oppervlak van de kralen stralen, trekken zowel kunststoffen als microben aan. En de eindproducten – de individuele robots – hadden een diameter van 2,8 µm. Wanneer ze worden blootgesteld aan een roterend magnetisch veld, zwermen de robots naar elkaar toe. Door het aantal robots aan te passen dat zichzelf in platte clusters organiseert, ontdekten de onderzoekers dat ze de beweging en snelheid van de zwerm konden veranderen.
Experimenten
In laboratoriumexperimenten repliceerde het team microplastics en bacteriën in de omgeving door fluorescerende polystyreenkorrels (1 µm breed) en actief Pseudomonas aeruginosa bacteriën aan een watertank toe te voegen. Deze bacteriën kunnen longontsteking en andere infecties. Vervolgens voegden de onderzoekers microrobots toe aan de tank en stelden ze gedurende dertig minuten bloot aan een roterend magnetisch veld, waarbij ze deze elke tien seconden aan- en uitzetten. Een robotconcentratie van 7,5 mg/ml (de dichtste van vier geteste concentraties) ving ongeveer 80% van de bacteriën op.
Ondertussen daalde bij deze zelfde concentratie ook het aantal vrije kunststofkorrels geleidelijk, omdat ze door de microrobots werden aangetrokken. Daarna verzamelden de onderzoekers de robots met een permanente magneet en gebruikten ze echografie om de bacteriën die eraan vastklampten los te maken. Vervolgens stelden ze de verwijderde microben bloot aan ultraviolette straling, waarmee de desinfectie voltooid was.
Bij hergebruik pikten de gedecontamineerde robots nog steeds kunststof en microben op, zij het in kleinere hoeveelheden van beide. Dit microrobotsysteem biedt volgens de onderzoekers een veelbelovende aanpak om water te ontdoen van kunststof en bacteriën.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Ill.: ACS Nano 2024, DOI: 10.1021/acsnano.4c02115