ربات‌های جلبکی اقیانوس‌ها تمیز میکنند

به گزارش مجله خبری نگار،گروهی از محققان مؤسسه فناوری اروپای مرکزی (CEITEC) دردانشگاه فناوری برنو به سلول‌های جلبک سبز، ذرات بسیار ریز اکسید آهن سیاه (آهن ربا) چسباندند تا ربات‌های جلبکی مغناطیسی بسازند.

ربات‌هایی که می‌توان با کنترل آن‌ها از راه دور، مواد پلاستیکی را از آب غربال کرد.

اما این سیستم دقیقاً چگونه کار می‌کند؟ و چرا جلبک؟

ما عاشق پلاستیک هستیم. آن‌ها ارزان، انعطاف پذیر و قابل قالب گیری و در عین حال بسیار بادوام و سبک هستند؛ ویژگی‌هایی که باعث می‌شود از این مواد به طور گسترده در زمینه‌های بسیار زیادی استفاده شود.

با این حال، این مزایا از منظر زیست محیطی بسیار مضرند. افزایش سطح تولید آنها، همراه با مقاومتشان در برابر تخریب طبیعی، منجر به تولید مقادیر زیادی زباله پلاستیکی شده است که بین چند دهه تا چندین قرن در محیط باقی می‌ماند.

در تمام این مدت، پلاستیک‌ها در محیط‌های آبی به قطعات کوچکی خرد می‌شوند که به میکروپلاستیک‌ها (کوچکتر از ۵ میلی‌متر) و نانوپلاستیک‌ها (کوچکتر از ۱۰۰۰ نانومتر) تقسیم می‌شوند. این قطعات سپس توسط ماهی‌ها و دیگر موجودات آبزی بلعیده می‌شوند و باعث آسیب فیزیکی، مشکلات در هضم و تولید مثل و به طور بالقوه مرگ می‌شوند.

ماهی‌ها می‌توانند سایر آلاینده‌های موجود در آب مانند فلزات سنگین و آلاینده‌های آلی را نیز بخورند. این پلاستیک‌ها و آلاینده‌ها با ورود به بدن آبزیان، به زنجیره غذایی منتقل می‌شود.

دانشمندان به تازگی مطالعه‌ای را شروع کرده اند تا دریابند چنین پدیده‌ای در درازمدت چه اثراتی ممکن است روی انسان داشته باشد.

برای پاکسازی این آلودگی‌ها و کاهش ماندگاری میکرو و نانوپلاستیک‌ها در محیط، محققان انواع راه حل‌ها را توسعه داده اند. شیوه‌هایی که انجام آن‌ها یا پیچیده و گران قیمت است یا کارایی و اثربخشی لازم را ندارد و اینجا همان نقطه‌ای است که روبات‌ها وارد می‌شوند.

ربات‌های جلبکی آهنربایی

پژوهشگران CEITEC برای آنکه بتوانند این پلاستیک‌های ریز را بهتر هدف قرار دهند، ایده ساخت ربات نظافتچی را مطرح کردند که به هممان اندازه کوچک و قابل کنترل باشد.

این ربات‌های کوچک مانند ماشین‌های مکانیکی معمولی نیستند که به آن‌ها عادت داریم؛ بلکه خود میکرو/ نانو ذراتی هستند که از ترکیبی از مواد کاربردی مختلف تشکیل شده‌اند.

«شیا پنگ» محقق و مجری این طرح گفت: در تلاش برای یافتن یک ماده ارزان قیمت و با تولید انبوه برای جایگزینی فلزات گران قیمت بودم که سلول‌های جلبک به ذهنم رسید.

شیا و همکارانش، این ربات‌ها را «ربات‌های جلبکی مغناطیسی» یا MAR نامیده‌اند. محققان به سلول‌های کلرلا ولگاریس (نوعی از ریزجلبک‌های سبز) نانوذرات آهنربایی دوست دار محیط زیست متصل کردند که امکان دستکاری MAR‌ها را با استفاده از یک میدان مغناطیسی خارجی فراهم می‌کند. این جلبک‌ها نه تنها زیست تخریب پذیر هستند، بلکه تولید انبوه آن‌ها نیز آسان و ارزان است.

به گفته شیا، مزیت دیگر این ربات آن است که سطح آن‌ها مملو از گروه‌های شیمیایی به نام اسید‌های کربوکسیلیک است که حامل بار الکترواستاتیکی منفی هستند. بار سطحی MAR‌ها به دلیل وجود گروه‌های [اسید کربوکسیلیک]منفی است، در حالی که بار سطحی میکرو/نانوپلاستیک‌های انتخاب‌شده مثبت است، که جذب الکترواستاتیک میکرو/نانوپلاستیک‌های هدف را ارتقا می‌دهد و امکان جذب و حذف آن‌ها را فراهم می‌کند.

جلبک‌های با بار منفی، میکرو/نانوپلاستیک‌های با بار مثبت را جذب می‌کنند و آن‌ها را به خود چسبیده نگه می‌دارند. همچنین به این صورت است که نانوذرات آهنربایی که دارای بار مثبت هستند، می‌توانند برای کنترل مغناطیسی از راه دور به سطح سلول‌های جلبک متصل شوند بدون آنکه به پردازش پیچیده نیازی باشد.

این گروه برای آزمایش‌های خود از یک نوع فلورسنت با بار مثبت روی پلی استایرن پلاستیکی فراگیر استفاده کردند که اندازه آن از ۲ میکرومتر تا ۵۰ نانومتر متغیر بود. این فرم فلورسنت تحت شرایط آزمایشی خاص می‌درخشد و محققان را قادر می‌سازد تا مقدار پلاستیک حذف شده از نمونه‌های آب از جمله آب دیونیزه، آب لوله کشی، باران و آب دریاچه، توسط MAR‌ها را اندازه گیری کند.

آن‌ها MAR‌ها را به این نمونه‌های آب آلوده اضافه و سپس در مسیر‌های از پیش تعریف‌شده تحت هدایت مغناطیسی فرستادند. این روبات‌ها پلی استایرن را در مسیر خود جمع کردند.

شیا اعلام کرد: مهم‌ترین یافته‌ها جمع آوری موفقیت‌آمیز میکرو/نانوپلاستیک‌ها با بازدهی حذف بالا برای نانوپلاستیک‌ها (۹۲ درصد) و میکروپلاستیک‌ها (۷۰ درصد) بود.

نکته جذاب بعدی این ربات‌ها این است که می‌توان آن را شست و پلاستیک‌های گرفته شده را بازیافت کرد. مقدار کمی از پوشش آهن ربایی آن‌ها نیز شسته شد، اما همچنان بازدهی حدود ۸۰ درصد را برای جذب نانوپلاستیک‌ها و ۵۴ درصد را برای میکروپلاستیک‌ها حتی پس از پنج دوره شست‌وشو حفظ کردند. سپس با افزودن یک لایه آهن ربای جدید، قدرت آن را به حالت کامل برگردانند.

شیا خاطرنشان کرد: ربات‌های MAR را می‌توان در آب نمک آزمایش کرد؛ زیرا حرکت مغناطیسی آن‌ها تحت تأثیر شوری آب قرار نمی‌گیرد. با این حال، مطالعه در این زمینه هنوز در مراحل اولیه است.

بررسی بیشتر زیست تخریب پذیری و اثرات بالقوه زیست محیطی بلندمدت این نانوذرات برای اطمینان از اینکه منجر به مسمومیت نمی‌شود، مهم است؛ اما همه چیز از این منظر امیدوارکننده به نظر می‌رسد.

مجری این تحقیقات گفت: به طور کلی، نانوذرات مغناطیسی اکسید آهن زیست سازگار در نظر گرفته می‌شوند و قبلاً در کاربرد‌های مختلف زیست‌محیطی و زیست پزشکی استفاده شده‌اند.

علاوه بر این، در مورد ما، نانوذرات را می‌توان به راحتی توسط یک آهنربای دائمی در پایان فرآیند جمع آوری کرد و اطمینان حاصل کرد که هیچ ذره‌ای باقی نمی‌ماند تا آب را آلوده کند.

با این حال، همه پلاستیک‌هایی که آب‌های ما را آلوده می‌کنند دارای بار مثبت نیستند. بسیاری از آن‌ها در شرایط عادی آبی دارای بار منفی هستند، به این معنی که MAR‌ها نمی‌توانند آن‌ها را از طریق فعل و انفعالات الکترواستاتیک داخلی فعلی خود جذب کنند.

شیا گفت: سیستم ما در مرحله آزمایشی اولیه به نوعی محدود است؛ زیرا MAR‌ها فقط می‌توانند پلاستیک‌های با بار مثبت را ضبط کنند. قصد داریم در آینده سازوکاری ابداع کنیم که بتواند میکرو/نانو پلاستیک‌های با بار منفی را جمع آوری کند.

وی افزود: فکر می‌کنم استفاده از منابع طبیعی، مانند سلول‌های جلبک، برای انجام وظایف خاص بسیار امیدوار کننده است و معتقدم اگر MAR به اندازه کافی توسعه یابد، برای مقابله با بازیافت میکرو/نانو پلاستیک‌ها کافی خواهد بود.

نتایج این تحقیقات در نشریه Advanced Functional Materials منتشر شده است.