Nanokunststoffverunreinigungen mit Mikrorobotern entfernen
Molecular Imprinting(öffnet in neuem Fenster) oder auch molekulares Prägen ist ein hochmodernes Verfahren mit viel Potenzial in den Bereichen Lebensmittel- und Wassersicherheit. Mit dem Verfahren können höchst selektive Sensoren Verunreinigungen in sehr geringer Konzentration erkennen. Ein entscheidender Nachteil ist jedoch, dass mit dem Verfahren nur organische Verunreinigungen wie Pestizide, Arzneimittel und Farbstoffe erfasst werden. Für fest Verunreinigungen wie Mikro- und Nanokunststoffe sind Molecular Imprinting derzeit nicht geeignet.
Verunreinigung mit Mikro- und Nanokunststoff bekämpfen
Im Rahmen des Projekts MIPhmotors, das über die Marie Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) unterstützt wurde, sollten potenzielle neue Strategien ermittelt werden, mit denen diese Einschränkungen überwunden werden und insbesondere Mirko- und Nanokunststoffe anvisiert werden können. Das Projekt wurde über die Technische Universität Brünn(öffnet in neuem Fenster) in der Tschechischen Republik koordiniert. „Durch die zunehmende Fertigung und Anwendung von Kunststoffen haben sich Kunststoffabfälle in Meeren, Seen und Flüssen abgesetzt“, berichtet der Projektkoordinator von MIPhmotors, Mario Urso von der Universität Catania(öffnet in neuem Fenster) in Italien. „Dort zerfallen sie langsam in kleinere Teile, also Mikroplastik und Nanoplastik, die noch gefährlicher werden, wenn sie andere toxische Wasserverunreinigungen aufnehmen.“ Dieses Mikro- und Nanoplastik wird von Fischen aufgenommen und verunreinigt direkt unsere Trinkwassersysteme. Nanoplastik ist winzig, hat kaum Gewicht und kann sich rasant ausbreiten und in Gewebe eindringen. Daher ist es besonders gefährlich.
Selbstfahrende, lichtbetriebene Mikroroboter
Daher entwickelte Urso Mikroroboter, die Mikroplastik in Wasser erfassen können. Diese selbstfahrenden, lichtbetriebenen Mikroroboter bestehen aus Schichten einer neuen graphenartigen 2D-Materialklasse namens MXene. Das Nanoplastik verfängt sich zwischen diesen Schichten und wird dort gehalten, ähnlich wie Bücher in einem Regal. Urso hat Prototypen gefertigt, um zu zeigen, dass diese multidirektionalen Mikroroboter Polystyrol-Nanokügelchen effiziente und schnell in Wasserproben einsammeln können. Anschließend wurden die Mikroroboter magnetisch auf Elektroden versetzt, auf denen die Menge an eingefangenem Plastik geschätzt wurde. „Über das Projekt konnten wir das Potenzial dieser Mikroroboter nachweisen, Nanoplastik aus verunreinigtem Wasser zu entfernen, um so ein wachsendes Problem der Umweltbelastung zu lösen“, sagt Urso. „Ich hoffe, dass diese Arbeit als Inspiration für weitere mikroroboter-basierte Lösungen dient, um die Wasser- und Lebensmittelsicherheit herzustellen und zu kontrollieren.“
Mikrorobotersensoren in realen Szenarien
Zu den nächsten Schritten gehört für Urso die Konzeption von Mikrorobotersensoren, die in realen Szenarien eingesetzt werden können und kommerziell tragbar sind. Dabei geht es vor allem darum, die Herstellungskosten für die Mikroroboter zu senken. „Die verwendeten Materialien, MXene, sind relativ teuer“, stellt er fest. „Wir müssen einen neuen, kostengünstigeren Ansatz für die Schichten des Mikroroboters finden. Ich wollte von Anfang an ein System entwickeln, das ohne teure Geräte und geschultes Personal auskommt.“ Die Mikroroboter müssen auch in verschiedenen Arten von Wasser getestet werden. Die Leistung könnte zum Beispiel durch hohe Salzkonzentrationen beeinträchtigt werden. Urso plant auch, Verfahren des Molecular Imprinting auf diese Prototypen anzuwenden, um ihre Effizienz noch weiter zu erhöhen. „Das könnte allerdings eine Herausforderung sein“, bemerkt er. „Das Risiko besteht darin, dass für diese Zusatzfunktion ein neues Material eingeführt werden sollte, das den Raum zwischen den MXene-Schichten ausfüllen könnte, in denen das Nanoplastik aufgefangen wird. Das mindert die Leistung.“ Dennoch zeigt der Erfolg des Projekts laut Urso, dass Forschende flexibel bleiben müssen. „Zu Beginn habe ich über Molecular Imprinting nachgedacht und bin letztendlich bei einer Lösung gelandet, die innovativer und effizienter ist“, kommentiert er.
Schlüsselbegriffe
MIPhmotors, Nanoplastik, Schadstoffe, Mikroroboter, Umweltbelastung, Sensoren
