水域からマイクロプラスチックを除去するために、研究者らはプラスチック粒子に結合し、太陽光を利用して分解する小型ロボットを開発した。このロボットは細菌細胞ほどの大きさしかなく、材料を巧みに組み合わせて独立して動き、マイクロプラスチック粒子に特異的に結合することができる。そこでそれらは触媒として作用し、太陽光によって劣化を促進します。実現可能性調査では、この原理が基本的に機能することが示されています。実際に成功すれば、マイクロロボットは海洋のマイクロプラスチック汚染の削減に役立つ可能性がある。
マイクロプラスチックは、都市部だけでなく北極の氷や海洋など、環境中に遍在しています。また、多数の食品、飲料水、さらには人間の便からも検出されています。小さなプラスチック粒子が人間の健康にどのような影響を与えるかはまだ不明です。マイクロプラスチックは主に、天候の影響により大きなプラスチック片が小さな破片に分解されるときに生成されます。サイズが 5 ミリメートル未満の粒子を環境中に一旦排出すると、これを除去することはこれまでほとんど不可能でした。自然に分解されるまでには数百年かかります。太陽光の影響で少し早く進みます。ただし、これにも数年から数十年かかります。
プラスチックを探すマイクロロボット
プラハ化学工科大学のセイエド・モーセン・ベラディ・ムーサヴィ氏率いるチームは、太陽光を効果的に利用してマイクロプラスチックを分解する方法を試験した。この鍵となるのは、いわゆる光触媒です。光触媒は、太陽光のエネルギーを利用して、プラスチックをその成分に化学的に分解できる反応性の高い化合物を生成します。以前のアプローチの問題は、触媒をプラスチック粒子と接触させることでした。これには、以前は複雑な前処理や大型の機械撹拌機が必要でした。このようなシステムは実際には使用できません。特に触媒の一部はそれ自体が有毒であり、環境をさらに汚染する可能性があるためです。
Mohsen Baladi-Mousavi と彼の同僚は、これらの問題に対する解決策の可能性を発見しました。彼らは、マイクロプラスチック粒子に独立して泳ぎ、結合して分解する光触媒材料からマイクロロボットを構築しました。ロボットの大きさは 4 ～ 8 マイクロメートルで、細菌細胞とほぼ同じです。その主成分は、光触媒として機能する半導体材料であるバナジン酸ビスマスで作られた星型の構造体です。各粒子は磁性酸化鉄でコーティングされています。マイクロロボットは、可視光と、水中で自然に発生する濃度の過酸化水素によって燃料を供給されます。
プラスチックの表面に穴があいてしまう
「可視光を利用したインテリジェントなマイクロロボットは、泳いで通り過ぎるマイクロプラスチックを捕らえて分解することができる」と研究者らは書いている。彼らの実験では、4種類の異なるプラスチックが入った迷路のような水路の中をマイクロロボットに泳がせた。ロボットは、プラスチックのポリ乳酸 (PLA) およびポリカプロラクトン (PCL) の粒子と特によく相互作用しました。ここで粒子の約 70% が捕捉されました。ポリエチレン テレフタレート (PET) やポリプロピレン (PP) に対しては効果がやや劣ります。これはおそらく、これらのプラスチックの表面が特に撥水性であるためです。
研究者らはロボットに7日間、ずっと照明を当てながらプラスチック粒子と対話させた。処理の前後に、チームはマイクロプラスチックの重量と表面構造を分析した。結果: マイクロロボットと 1 週間接触した後、粒子の重量は最大 3% 減少しました。解体は PCL を使用するのが最も効果的でした。一方、PET 粒子は重量の約 1 パーセントしか減りませんでした。 「注目すべきことに、すべての種類のマイクロプラスチックの形態が劇的に変化し、滑らかな表面から粗く不均一な構造になり、PCLの場合はいくつかの穴が開いた」と研究者らは書いている。彼らはまた、周囲の溶液中にすべてのプラスチックの分解生成物を発見しました。 「マイクロロボットは基本的に、得られたモノマーやオリゴマーをさらに分解することができます。しかし、この研究はプラスチック部品の初期劣化のみに焦点を当てています」と著者らは述べています。
環境での使用可能性
以前のシステムとは異なり、マイクロロボットは自然環境での環境に優しい使用にも適している可能性があります。 「マイクロロボットは磁性を備えているため、実験後に回収することができ、リサイクルに有利です」と研究者らは報告している。磁場を使用してロボットを目的の場所に制御したり、環境から安全に移動したりすることも可能です。その後実際にリサイクルできるかどうかは、さらなる開発次第です。現在の実験では、わずか 7 日後にその性能が大幅に低下しました。
「特に、驚くべき量のマイクロプラスチックが環境中で発見されており、海洋システムや人間の健康に潜在的なリスクがあることを考えると、増加するマイクロプラスチック汚染にどう対処するかが重要な研究焦点である」と研究者らは書いている。 「自律移動の要素を加えたこの研究の新しいアプローチにより、マイクロプラスチックの効率的な捕捉と分解が可能になり、到達が困難な環境でも使用できる新しいインテリジェントシステムへの道が開かれる可能性があります。」
出典: Seyyed Mohsen Beladi-Mousavi (チェコ共和国プラハ化学工科大学) 他、ACS Applied Materials & Interfaces 2021、 doi: 10.1021/acsami.1c04559
