Winzige Mikroroboter, die Wasser reinigen können

Selbstangetriebener Mikroroboter aus Graphen fängt Blei aus Abwasser ein. Quelle: 2016 American Chemical Society

Forscher des Max-Planck-Institutes Stuttgart haben winzige „Mikroroboter“ mit Eigenantrieb entwickelt, die Blei aus kontaminiertem Wasser entfernen oder organische Verschmutzungen abbauen können.

In Zusammenarbeit mit Kollegen in Barcelona und Singapur verwendete die Gruppe von Samuel Sánchez Graphenoxid zur Herstellung ihrer Motoren im Mikromaßstab. Diese können Blei aus Industrieabwasser adsorbieren und so in nur einer Stunde von einem Niveau von 1000 Teile pro Milliarde bis auf unter 50 Teile pro Milliarde reduzieren. Das Blei kann später zum Recycling entnommen und die Mikromotoren können immer wieder verwendet werden.

„Die Außenhülle des Mikroroboters, welche aus Graphen besteht, fängt das Blei ein”, sagt Sanchez, Gruppenleiter am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart und am Institute for Bio-Engineering of Catalonia (IBEC) in Barcelona. „Die innere Platinschicht funktioniert als Antrieb und zerfallendes Wasserstoffperoxid als Treibstoff, sodass der Roboter sich selbst antreiben kann.“ Wenn Wasserstoffperoxid dem Abwasser zugesetzt wird, zersetzt das Platin es zu harmlosem Wasser und Sauerstoffblasen, welche von der Rückseite des Mikroroboters zu dessen Antrieb ausgestoßen wer-den. „Es ist wichtig, ein System zur Schadstoffbeseitigung zu verwenden, welches keine zusätzliche Verschmutzung erzeugt“, erklärt Sanchez.

Zwischen dem Graphenoxid und den Platinschichten befindet sich eine Nickel-Schicht, welche es den Forschern ermöglicht, die Bewegung und Richtung des Mikroroboters magnetisch von außen zu steuern. „Ein Magnetfeld kann verwendet werden, um sie alle aus dem Wasser zu sammeln, wenn sie fertig sind“, sagt Sanchez. „Zukünftig könnten unsere Mikroroboter-Schwärme durch ein automatisiertes System gesteuert werden, welches sie mittels Magneten dazu bringt, verschiedene Aufgaben zu erfüllen.“

Schwermetall-Kontaminierungen im Wasser – durch Blei, Arsen, Quecksilber und andere Metalle – entstehen durch Aktivitäten der Industrie und stellen ein großes Risiko für die öffentliche Gesundheit sowie für die Tierwelt dar. Diese neuen Mikroroboter – jeder davon ist kleiner als ein menschliches Haar breit ist – bieten eine Lösung, die potenziell schneller und günstiger als aktuelle Methoden der Wasserreinigung sind. Zudem sind sie umweltfreundlich: Sie ermöglichen den verantwortungsvollen Umgang mit den gesammelten Schadstoffen, da das Blei danach zum Recycling genutzt werden kann. Außerdem sind sie selbst wiederverwendbar.

Neben dem Abfangen von Schwermetallverunreinigungen studierten die Forscher auch selbst-angetriebene Microbots, die in der Lage sind organische Verschmutzungen abzubauen. Diese Microbots können nach deren Einsatz wiederhergestellt und ohne Wirkverlust für wiederholte Anwendungen für einen Zeitraum von bis zu 5 Wochen eingesetzt werden.

„Wir planen nun, unsere Mikroroboter weiterzuentwickeln, sodass sie auch andere Schadstoffe sammeln können. Auch werden wir an der Senkung der Kosten für ihre Herstellung sowie daran arbeiten, sie in großen Mengen herstellen zu können“, sagt Sanchez, der auch an Mikro- und Nanorobotern mit Eigenantrieb für Anwendungen wie etwa der Verabreichung von Medikamenten arbeitet.

Literatur
Diana Vilela, Jemish Parmar, Yongfei Zeng, Yanli Zhao, and Samuel Sánchez, Graphene-Based Microbots for Toxic Heavy Metal Removal and Recovery from Water, Nano Letters 16 (2016) 2860–2866

Quelle
Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme