【創新科技】奈米機器人潔淨鉛汙染水源

■一個由石墨烯氧化物、鎳及鉑製成的奈米機器人能自動清潔水中鉛離子。

Credit: Vilela, et al. ©2016 American Chemical Society
Credit: Vilela, et al. ©2016 American Chemical Society

撰文|方程毅

2016年初美國密西根州(Michigan State)的佛林特鎮爆發鉛水事件,引起軒然大波。事發的佛林特鎮曾經是通用汽車的生產重鎮,但隨著美國汽車業的衰敗,整個城市漸漸沒落。人口減少、基礎建設老舊外加預算緊縮,政府決定將其供水由底特律改為抽取休倫湖湖水。新管線尚未來得及鋪設,舊合約又到期的情況下只好先抽取佛林特河水應急,但,這河水有毒!

於是佛林特鎮的居民就在不知情的情況下被迫喝鉛水長達18個月之久。雖然這件事本質上是政經問題,但也凸顯了重金屬水汙染的衝擊。如何有效去除水中像鉛這樣的重金屬離子一直是個值得探究的議題。來自德國 Max Planck 智慧系統研究中心 (Max-Planck Institute for Intelligent Systems)、西班牙加泰隆尼亞生物工程學研究所 (Institute for Bioengineering of Catalonia(IBEC))以及新加坡南洋理工大學 (Nanyang Technological University) 共同研發出一種自驅動奈米機器人可有效去除鉛汙染,並發表在 Nano Letters 期刊上。

這個奈米機器人去除鉛離子的機制是利用石墨烯氧化物 (graphene oxide) 具有吸附水中的鉛離子的能力。石墨烯氧化物之所以能吸附二價鉛離子,是因為其二維結構上有許多氧官能基,這些氧官能基及石墨烯氧化物本身含有的游離π電子 (delocalized π-electron)可以形成傾向給電子的路易士鹼 (Lewis Base);而二價鉛離子是一種路易士酸 (Lewis Acid),兩者便可以互相吸引。因此將石墨烯氧化物置於鉛汙染的水中便可以去除鉛離子。

但研究團隊厲害的地方不只在於利用石墨烯氧化物吸附鉛離子,而是它有能力自我驅動,如影片。

這樣的機器人可以在水中到處跑清理鉛離子,而不只是呆呆地留在原地。為了讓機器人自我驅動,其研發出的機器人具有多層柱狀結構,其層狀結構由外而內分別是:石墨烯氧化物/鉑鎳(Pt/Ni)/鎳/鉑。其中,鉑是能自我驅動的重要關鍵,當水中有過氧化氫時,鉑便成為過氧化氫分解成水跟氧的催化劑,過氧化氫分解時,會產生大量氧氣泡,成為推動奈米機器人的動力,讓機器人可以在水中到處跑清理鉛離子。當然,這樣的動力並不能完全預測方向,但一旦汙水中含有過氧化氫,或在水中加入過氧化氫時,奈米機器人就可以清理較大範圍的鉛離子汙水。

不過只能靠過氧化氫亂跑的機器人不夠厲害,萬一水中沒有過氧化氫,這機器人就只能呆呆地在原地反應嗎?當然不,在機器人中另外有一層金屬鎳,鎳是磁性材料,因此可以透過外加磁場控制機器人要往哪裡走,既能自己亂跑,又可以被控制,可以說是非常聰明的設計。

根據實驗結果,奈米機器人能在60分鐘內將水中鉛離子濃度從 1000ppb 降到低於 50ppb。不僅如此,奈米機器人還可以脫去鉛離子重複利用。指導這項研究的 Samuel Sánchez 教授在接受 Phys.org 網站訪問的時候表示:「這是用智慧奈米元件對付環境問題的新應用。」「我們計畫讓奈米機器人有能力清除其他重金屬元素,除此之外減低製造成本及發展大規模製造的可能性。」

原始論文:Vilela, D., Parmar, J., Zeng, Y., Zhao, Y., & Sánchez, S. (2016). Graphene-Based Microbots for Toxic Heavy Metal Removal and Recovery from Water. Nano Letters.

參考資料:

  1. Phys.Org:  Microbots can clean up polluted water
  2. 風傳媒: 《 美國密西根鉛水危機》近10萬名居民喝18個月 歐巴馬宣布進入緊急狀態

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作者:方程毅 台大材料畢,目前於UCSD博士班掙扎中。科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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