نانو-رباتهای نقرهای؛ فناوری نوظهور برای تصفیه هوشمند آب
ترکیب نانو تکنولوژی و فوتوکاتالیز، منجر به تولید میکرورباتهایی شد که قادرند آنتیبیوتیکهای مقاوم را شناسایی و تجزیه کنند. این دستاورد علمی، افق تازهای برای مدیریت بحران آلودگی دارویی گشوده است.
به گزارش سیناپرس، گروهی از دانشمندان توانستهاند میکرورباتهایی با پوشش نقره تولید کنند که با استفاده از نور فرابنفش، قادر به شنا کردن روبهبالا و تجزیهٔ آلودگیهای آنتیبیوتیکی در آب هستند.
این رباتهای هوشمند توانستهاند تا ۸۸٪ از آنتیبیوتیک تتراسیکلین را در تنها ۹۰ دقیقه در شرایط آزمایشگاهی حذف کنند؛ یافتهای که گامی مهم در جهت پاکسازی آبهای آلوده و سلامت زیستمحیطی بهشمار میرود.
امروزه بقایای داروهای آنتیبیوتیکی در منابع آب، به یکی از مهمترین دغدغههای جهانی تبدیل شده است. این ترکیبات در محیطهای آبی ماندگار میمانند و نهتنها به اکوسیستمهای طبیعی آسیب میزنند، بلکه عامل گسترش مقاومت دارویی در باکتریها نیز هستند.
برای مقابله با این بحران، پژوهشگران در حال توسعه فناوریهایی هستند که بتوانند آلودگیهای پایدار را بهطور مؤثر تجزیه کنند؛ یکی از امیدبخشترین رویکردها در این زمینه، استفاده از میکرورباتهای فوتوکاتالیست است.
در مطالعهای جدید با عنوان «میکرورباتهای جانوسی g-C₃N₄ / Ag با پاسخ نوری و حرکت ضدگرانشی مؤثر در تجزیهٔ آنتیبیوتیکها»، پژوهشگران روشی خلاقانه را معرفی کردهاند که ترکیب حرکت فعال و فوتوکاتالیز را در یک سامانه کوچک و کارآمد به کار میگیرد.
در این سیستم، از گرافیتی کربن نیترید (g-C₃N₄) بهعنوان مادهای فوتوکاتالیتیک بهره گرفته شده است؛ مادهای که به دلیل ارزان بودن، پایداری شیمیایی و زیستسازگاری، گزینهای مطلوب برای فناوریهای زیستمحیطی محسوب میشود. با وجود این مزایا، استفاده از آن در میکرورباتها تاکنون محدود بوده است.
در این پژوهش، محققان مادهٔ g-C₃N₄ را با فلز نقره (Ag) ترکیب کردند؛ گزینهای مقرونبهصرفه در مقایسه با فلزات گرانقیمت مانند پلاتین و طلا. نقره با ایجاد سد شاتکی (Schottky barrier) قادر است جداسازی بار الکتریکی را تقویت کرده و بازترکیب الکترون و حفره را کاهش دهد؛ بدین ترتیب عملکرد فوتوکاتالیز بهطور چشمگیری ارتقا مییابد.
فرآیند تولید این میکرورباتها شامل تهیهٔ میکروتیوبهای g-C₃N₄ از طریق فناوری هیدروترمال و سپس پوشش یکطرفهٔ آنها با لایهای ۱۵ نانومتری از نقره بود که ساختار نامتقارن «جانوس» را شکل میدهد. تصاویر مأخوذه از میکروسکوپهای SEM و STEM نشان دادند که ذرات نقره در ابعاد حدود ۶ نانومتر به شکلی یکنواخت بر سطح تیوبها پخش شدهاند. دادههای EDX و XPS وجود لایهٔ فلزی نقره و ساختار کریستالی خاص هر دو ماده را تأیید کردند.
از نظر عملکرد نوری، بررسی طیف بازتاب پراکندهٔ UV-Vis، طیفسنجی مقاومت الکتروشیمیایی و اندازهگیری جریانهای نوری نشان دادند که افزودن نقره باعث انتقال بهتر بارهای نوری و کاهش تلفات در اثر بازترکیب میشود.
در آزمایشهای حرکتی، این میکرورباتها هنگام تابش نور فرابنفش با طول موج ۳۶۵ نانومتر، رفتار جالبی با عنوان حرکت ضدگرانشی نوری (Negative Photogravitaxis) از خود نشان دادند؛ یعنی برخلاف جهت جاذبه، به سمت بالا حرکت کردند. این حرکت ناشی از توزیع نامتقارن گونههای فعال در اطراف رباتها و بهواسطهٔ پدیدهٔ خوددیفوزیوفرز (Self-Diffusiophoresis) بود.
برای بررسی توانایی پاکسازی، تیم تحقیقاتی تتراسیکلین را بهعنوان مدل آلودگی انتخاب کرد و واکنش تجزیه را در حضور مقدار کمی پراکسید هیدروژن (۰٫۲ درصد وزنی) اجرا کرد. میکرورباتها توانستند در مدت ۹۰ دقیقه حدود ۸۸٪ از تتراسیکلین را تجزیه کنند.
وقتی نور، پراکسید هیدروژن یا خود رباتها از واکنش حذف شدند، کارایی بهطور قابلتوجهی پایین آمد که نشاندهندهٔ نقش محوری ترکیب نور و حرکت فعال است.
در آزمایشهای کنترل، نمونههای بدون ساختار جانوسی یا همزدن آهسته فقط به حدود ۷۷٪ تجزیه رسیدند، که مؤیدِ برتری حرکت هدایتشدهٔ میکرورباتها نسبت به شرایط عادی است. بررسیهای طیفسنجی رزونانس پارامغناطیسی الکترونی نیز تولید گونههای فعال اکسیژن (ROS) مانند رادیکال سوپراکسید، اکسیژن تکتایی و هیدروکسیل را تأیید کرد؛ در این میان، رادیکال سوپراکسید نقش غالب را در فرآیند تخریب مولکولهای تتراسیکلین ایفا میکند.
جالب آنکه حتی در آزمایش با فاضلاب واقعی، این میکرورباتها عملکرد مؤثر خود را حفظ کردند و تا ۸۲٪ از آنتیبیوتیکها را حذف کردند، بدون آنکه موجب آزادسازی قابلتوجه یونهای نقره شوند؛ نتیجهای که پایداری سیستم را در کاربردهای عملی نشان میدهد.
به نقل از نانو ایران، به طور کلی، این پژوهش تصویری روشن از آیندهٔ تصفیهٔ آب ارائه میدهد؛ جایی که حرکت فعال رباتهای نانومقیاس با فوتوکاتالیز پیشرفته ترکیب میشود تا حذف آلودگیها سریعتر، کاملتر و کارآمدتر انجام گیرد.
این فناوری با امکان تجزیهٔ همزمان چندین آلاینده و سازگاری بالا با محیط، میتواند به یکی از ابزارهای کلیدی تصفیهٔ آب و پاکسازی زیستمحیطی تبدیل شود — گامی مؤثر به سوی جهانی پاکتر و سالمتر.
