Piégeage et détection des nanoplastiques par MXene | Groupe d'anodes en titane Baoding ICCP

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 3573 (2022) Citer cet article

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La pollution nanoplastique, produit final de la fragmentation des déchets plastiques dans l'environnement, représente une préoccupation croissante pour la communauté scientifique en raison de leur diffusion plus facile et du risque plus élevé associé à leur petite taille. Il existe donc une demande pressante de stratégies efficaces pour quantifier et éliminer les nanoplastiques dans les eaux usées. Ce travail présente la capture « à la volée » de nanoplastiques dans l’espace tridimensionnel (3D) par des microrobots multifonctionnels à oxydes dérivés du MXène et leur détection ultérieure. Un processus de recuit thermique est utilisé pour convertir le Ti3C2Tx MXene en TiO2 multicouche photocatalytique, suivi du dépôt d'une couche de Pt et de la décoration avec des nanoparticules magnétiques γ-Fe2O3. Les microrobots γ-Fe2O3/Pt/TiO2 dérivés du MXène présentent une photogravitaxis négative, ce qui entraîne un puissant mouvement sans carburant avec six degrés de liberté sous irradiation lumineuse. Grâce à la combinaison unique d’autopropulsion et de potentiel Zeta programmable, les microrobots peuvent rapidement attirer et piéger les nanoplastiques à leur surface, y compris dans les fentes entre les piles multicouches, permettant ainsi leur collecte magnétique. Utilisés comme plates-formes de préconcentration automobiles, ils permettent la détection électrochimique des nanoplastiques à l'aide d'électrodes portables et peu coûteuses. Cette étude de preuve de concept ouvre la voie au dépistage « sur site » des nanoplastiques dans l’eau et à leur remédiation successive.

Les images d'environnements marins remplis de sacs en plastique, de bouteilles et d'autres déchets plastiques sont gravées dans nos esprits et reflètent le manque de préparation de l'humanité à les gérer1,2. Malheureusement, le danger réel des plastiques ne se limite pas à ce qui est visible à nos yeux. Les matières plastiques se fragmentent en morceaux plus petits d’une taille inférieure à 5 mm, appelés microplastiques3. Ceux-ci peuvent se décomposer en morceaux encore plus petits et plus dangereux (1 à 1 000 nm), appelés nanoplastiques4,5,6. En fait, les microplastiques sédimentent généralement sur le fond marin, tandis que les nanoplastiques restent en suspension dans l’eau en raison de leur faible poids7. Ensuite, ils sont transportés par les courants océaniques et se diffusent en peu de temps. En raison de leur rapport surface/volume élevé, les nanoplastiques peuvent absorber de grandes quantités de polluants toxiques présents dans l’eau et servir de substrat à la croissance de biofilms bactériens pathogènes, augmentant ainsi leur toxicité7,8. Contrairement aux microplastiques, ils peuvent facilement pénétrer dans les tissus, posant ainsi de sérieux risques pour la santé de tous les êtres vivants9.

La détection des nanoplastiques dans les échantillons d’eau et leur élimination ultérieure sont essentielles. La microscopie électronique à balayage (MEB) et la microscopie électronique à transmission (TEM) permettent de visualiser les nanoplastiques mais ne fournissent pas d'autres informations sur la matière plastique10. De même, l’analyse de suivi des nanoparticules (NTA) mesure la répartition granulométrique et la concentration des nanoplastiques en enregistrant la lumière diffusée par un faisceau lumineux incident11. Les techniques de spectrométrie de masse sont également prometteuses pour étudier les nanoplastiques. À cet égard, Mitrano et ses collègues ont synthétisé des nanoplastiques avec un noyau métallique pour surveiller leur devenir dans l'environnement grâce à la spectrométrie de masse à plasma inductif (ICP-MS)12. Cependant, il manque une stratégie pour le dépistage rapide et « sur site » des nanoplastiques dans les échantillons d’eau, sans avoir besoin d’instruments de laboratoire coûteux et de personnel spécialisé13. En outre, l’assainissement des eaux contaminées par des nanoplastiques est crucial. Les approches conventionnelles pour éliminer les microplastiques, telles que la filtration, ne conviennent pas aux nanoplastiques en raison de leur petite taille14. D'autre part, le concept de capture des microplastiques par des forces électrostatiques utilisant des particules magnétiques de charges opposées et leur collecte successive avec des aimants peut être potentiellement étendu aux nanoplastiques15.

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>