Intrappolamento e rilevamento di nanoplastiche mediante MXene

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3573 (2022) Citare questo articolo

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L’inquinamento da nanoplastiche, il prodotto finale della frammentazione dei rifiuti plastici nell’ambiente, rappresenta una crescente preoccupazione per la comunità scientifica a causa della più facile diffusione e del maggiore rischio associato alle loro piccole dimensioni. Pertanto, esiste una pressante richiesta di strategie efficaci per quantificare e rimuovere le nanoplastiche nelle acque reflue. Questo lavoro presenta la cattura “al volo” di nanoplastiche nello spazio tridimensionale (3D) da parte di microrobot multifunzionali a ossido derivati da MXene e il loro ulteriore rilevamento. Un processo di ricottura termica viene utilizzato per convertire Ti3C2Tx MXene in TiO2 multistrato fotocatalitico, seguito dalla deposizione di uno strato di Pt e dalla decorazione con nanoparticelle magnetiche γ-Fe2O3. I microrobot γ-Fe2O3/Pt/TiO2 derivati da MXene mostrano una fotogravitassi negativa, risultando in un potente movimento senza carburante con sei gradi di libertà sotto irradiazione luminosa. Grazie alla combinazione unica di autopropulsione e potenziale Zeta programmabile, i microrobot possono attrarre e intrappolare rapidamente le nanoplastiche sulla loro superficie, comprese le fessure tra pile multistrato, consentendo la loro raccolta magnetica. Utilizzati come piattaforme di preconcentrazione automobili, consentono il rilevamento elettrochimico delle nanoplastiche utilizzando elettrodi portatili e a basso costo. Questo studio dimostrativo apre la strada allo screening “in loco” delle nanoplastiche nell’acqua e alla sua successiva bonifica.

Le immagini di ambienti marini pieni di sacchetti di plastica, bottiglie e altri rifiuti di plastica sono impresse nella nostra mente e rispecchiano l'impreparazione dell'umanità nel gestirli1,2. Purtroppo, la reale pericolosità della plastica non si limita solo a ciò che è visibile ai nostri occhi. Le materie plastiche si frammentano in pezzi più piccoli con dimensioni inferiori a 5 mm, chiamati microplastiche3. Questi possono ulteriormente scomporsi in pezzi ancora più piccoli e pericolosi (1–1000 nm), denominati nanoplastiche4,5,6. Infatti, le microplastiche tipicamente sedimentano sul fondale marino, mentre le nanoplastiche rimangono sospese nell’acqua a causa del loro peso inferiore7. Successivamente vengono trasportati dalle correnti oceaniche, diffondendosi in tempi brevi. A causa del loro elevato rapporto superficie-volume, le nanoplastiche possono assorbire grandi quantità di inquinanti tossici nell’acqua e fungere da substrato per la crescita di biofilm batterici patogeni, aumentandone la tossicità7,8. Contrariamente alle microplastiche, possono penetrare facilmente nei tessuti, ponendo gravi rischi per la salute di tutti gli esseri viventi9.

Il rilevamento delle nanoplastiche nei campioni di acqua e la loro conseguente rimozione è fondamentale. La microscopia elettronica a scansione (SEM) e la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) consentono di visualizzare le nanoplastiche ma non forniscono altre informazioni sul materiale plastico10. Allo stesso modo, l'analisi del tracciamento delle nanoparticelle (NTA) misura la distribuzione dimensionale e la concentrazione delle nanoplastiche registrando la luce diffusa da un raggio di luce incidente11. Anche le tecniche di spettrometria di massa sono promettenti per lo studio delle nanoplastiche. A questo proposito, Mitrano e colleghi hanno sintetizzato nanoplastiche con un nucleo metallico per monitorare il loro destino nell’ambiente attraverso la spettrometria di massa al plasma accoppiato induttivamente (ICP-MS)12. Manca tuttavia una strategia per lo screening rapido e “in loco” delle nanoplastiche nei campioni di acqua senza la necessità di costosi strumenti di laboratorio e personale specializzato13. Inoltre, la bonifica delle acque contaminate da nanoplastiche è fondamentale. Gli approcci convenzionali per la rimozione delle microplastiche, come la filtrazione, non sono adatti alle nanoplastiche a causa delle loro dimensioni ridotte14. D'altra parte, il concetto di cattura delle microplastiche da parte di forze elettrostatiche utilizzando particelle magnetiche di carica opposta e la loro successiva raccolta con magneti può essere potenzialmente esteso alle nanoplastiche15.

1% H2O2) due to their asymmetric structure. However, their low speed and the required toxic H2O2 made them less attractive than the MXene-derived γ-Fe2O3/Pt/TiO2 microrobots, whose motion did not require fuel or surfactant. Most of the observed microrobots exhibit Brownian motion in dark and autonomous motion under UV-light irradiation on the focal plane (xy plane). Figure 3a reports two frames showing the trajectories of two microrobots after 5 s in dark (left panel) and after 5 s under UV-light irradiation (right panel), while the corresponding video, including also other microrobots, is Supplementary Movie 2. They display a rapid on/off switching of motion with the UV-light, which is reflected in the quick variations of the instantaneous speed vs. time in Fig. 3b. Moreover, a remarkable deceleration is noted within a few s from the beginning of the UV-light irradiation, followed by a plateau. The motion behavior of these microrobots results from the equilibrium between the gravitational force, the buoyancy force, and the driving force of their light-powered self-propulsion, as illustrated in Fig. 3c. The driving force, in combination with the buoyancy force, is not powerful enough to overcome the gravitational force exerted on the microrobots. As a consequence, they can move only at the bottom of the vessel, like for most of the reported semiconductor-based micromotors16,25. This typical motion behavior, limited to the xy plane, will be referred to as “2D motion” in this manuscript./p>2 mg g−1 after 5 min)61, despite having a larger surface area and being utilized under external agitation./p>