《AFM》: 自推进式、光控、磁场导航的微型机器人用于聚合物降解

塑料因其出色的化学和力学稳定性、轻重量和低成本，成为了包括包装、建筑和交通运输在内的日常生活中最常用的材料。自1950年代以来，全球塑料制造业呈指数级增长。由于环境的限制，传统的去除塑料废物（如焚化）的方法不足以应对当今塑料废物的不断产生。实际上，塑料不会降解，但会缓慢破碎形成尺寸小于5毫米的微塑料，然后再破碎形成纳米塑料。这种小颗粒会吸收水中的持久性有机污染物（POPs），从而增加其毒性。此外，它们会被构成食物链底层的生物所消化，对生物的健康造成了严重的风险。按目前的增长速度，到2050年预计将有120亿吨的塑料废物被丢弃在环境当中。因此，采取有效策略来完全降解水中塑料是十分必要的。光催化是一种能降解水中聚合物材料的有前景的代表性方法，因为它仅需要光源和催化剂。而用于降解水中污染物的最常用催化剂，主要有光催化半导体，例如TiO 2和ZnO。当光催化半导体被能量等于或高于其带隙能量的光子照射时，光生电子-空穴对与水反应，诱导OH·自由基形成活性氧（ROS），从而导致一系列氧化过程，将污染物降解为CO 2和H 2O。催化剂与污染物之间的紧密接触对于这种方法的有效性至关重要。然而，传统的光催化方法受到扩散的限制，需要外部搅拌以加速降解过程。自推进式微型/纳米机器人已经被证实可以增强与污染物的相互作用，进而解决这些问题。微型/纳米机器人利用微观/纳米级材料优异的物理化学性质与主动运动带来的扩散之间的协同作用，来实现在流体中的航行。基于不对称结构，其自主运动可以由外部能源（光，磁场和超声波）触发，也可以由从其周围环境中提取的燃料（H 2O 2，酶）推动。其中最常见的一种是双面微型机器人。目前，光驱动的TiO2 / Ni / Au双面微型机器人能实现从水中收集和去除微塑料的能力。但迄今为止，仍未有工作报道过采用微型机器人在水中对聚合物材料进行光催化降解。赤铁矿（α-Fe2O3）是一种窄带隙（为2.2 eV）的低成本、生态友好的n型半导体。它在紫外线照射和H 2O 2催化下，能产生更多的ROS来攻击水中的污染物，因此可以被用于制造可见光驱动的水体净化微型/纳米机器人。此外，由于赤铁矿在室温下具有弱铁磁性质，因此可以通过磁场对机器人进行导航，目前该机器人已被用于货物运输、细胞操纵和图案化。这样的微型机器人具有可观的前景，因为适当的金属负载可以改善赤铁矿中的电荷分离，从而实现光驱动和磁场控制的微型机器人的自主运动，提高其光降解能力。

鉴于此，布尔诺工业大学Martin Pumera教授团队设计并开发了自推进式、光驱动、磁场导航的赤铁矿/金属双面微型机器人，能在水中降解聚合物链。该微型机器人在紫外光照射下均显示出无燃料自推进的特性，并具有对开/关切换和运动方向的可编程控制。研究人员还通过电化学测量评估和解释了微型机器人在不同燃料浓度和金属涂层下的速度差异，并使用高分子量（Mw 4000）聚乙二醇（PEG）证明了微型机器人对聚合物材料的光降解能力。微型机器人的主动运动、静电捕获能力、在赤铁矿/金属界面处的优异电荷分离以及催化的photo-Fenton反应，实现了PEG链的有效光降解。这项工作提出了使用大量可再生资源（例如水和光）去除聚合物和塑料材料的环保策略。该研究以题为“Breaking Polymer Chains with Self-Propelled Light-Controlled Navigable Hematite Microrobots”的论文发表在最新一期《 Advanced Functional Materials》上。

文章亮点：

1、该微型机器人的设计改善了电子从赤铁矿到金属的转移，从而抑制了赤铁矿中特征性的快速电子-空穴复合速率。研究人员通过MSD计算证明，微型机器人在黑暗中会发生纯布朗运动，而在光照射下会发生自电泳运动。该微型机器人在光照射下可实现快速开/关功能，并可通过磁场来控制其运动的方向。这样，可以精确地控制其轨迹，为它们将来在货物运输中的应用提供了巨大的潜力。

2、不同种类的金属涂层（Au，Au-Pd，Pt和Pt-Pd）可以影响微型机器人的运动速度。与单金属相比，双金属涂层可实现更高的速度（可达12 ± 4 µm s−1）。研究人员还通过Tafel测量观察到双金属涂层的混合电位差更大，从而增强了自电泳的作用。

3、作者使用自行式微型机器人在水中降解聚合物，并评估了微型机器人对高分子量PEG的降解能力，结果证实该微型机器人具有将PEG链完全降解为低质量产物的能力（处理前分子链长约为30 nm，处理后链长大多分布在1 nm）。这归因于其主动运动、pH可编程的静电PEG捕获、由于赤铁矿/金属界面而改善的电荷分离以及催化的photo-Fenton反应。这项工作为水中的聚合物、塑料以及其他污染物的光降解提供了一种新方法。

图1 自推进、光控、磁场导航的赤铁矿/金属双面微型机器人，具有捕获和光降解水中聚合物的能力

图2 赤铁矿/Pt界面上的电子转移和赤铁矿/金属双面微型机器人的光动力推进机制

图3 赤铁矿/ Pt-Pd微型机器人的光/磁场控制运动

图4 利用微型机器人对聚乙二醇进行自上而下的光降解

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202101510

来源：高分子科学前沿

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