南洋理工大学：環境修復のための3Dプリント「空母」を搭載したマイクロインテリジェントマシン

寄稿者: マギー・チャン、ティエン・シャオヨン

自己駆動型マイクロ/ナノモーターは、薬物送達、細胞分離、センシング、環境修復における潜在的な用途により、幅広い注目を集めています。地球環境が悪化し続けるにつれて、人々は環境汚染の監視と制御にますます注目するようになっています。重金属イオンの検出と除去、油滴の吸着、有機汚染物質の分解におけるこれまでの応用により、小容量マイクロモーターの役割が確認されています。超小型自動運転モーターのサイズはナノメートルやサブミクロンレベルであることが多く、駆動距離も数ミリメートルから数十ミリメートルに制限されます。しかし、実際の環境アプリケーションでは、数十メートルの駆動距離が求められます。

ジニトロトルエン（DNT）、トリニトロフェノール（TNP）などのニトロ芳香族化合物やその他の一般的な爆発性成分は、漏洩すると深刻な水質汚染を引き起こします。これまでの研究では、紫外線照射下でTiO2/PtとZnO/ZnO2/Ptによって形成されるヒドロキシラジカル、ペルオキシラジカル、電子は強力な酸化還元効果を持ち、DNT、TNT、TNPに対して優れた光触媒分解効果を発揮することが示されています。さらに、マイクロアクチュエータの急速な動きにより、溶液中の物質移動が促進され、より高い分解速度が得られます。マイクロアクチュエータのサイズと速度により、川、海、湖などの特定の環境での適用が制限されます。高速かつ持続的な動作を実現できるミリメートルまたはセンチメートルレベルのモーターは、実際の大規模な環境でのアプリケーションに非常に適しています。マゴロニ効果によって駆動される大型モーターは、高速かつ長距離の移動が可能という利点があり、実際の環境で環境修復作業を実行するのに適しています。

図 1 3D プリントエンジンモデル南洋理工大学化学生物学研究室と武漢理工大学国家重点実験室は、3D プリントを使用して大型モーターを製造し、「空母」マイクロアクチュエータを搭載して大量の溶液中の爆発性 TNP を効率的に分解する方法を実証しました。 3D プリントされたモーターは、円錐形のヘッドと管状の本体で構成されています。モデルを図1に示します。燃料（エタノール）を貯蔵でき、またアクティブな TiO2/Pt Janus マイクロモーターも搭載できます。 3Dプリントされたモータースロットからエタノールが非対称に放出され、液面に張力勾配を生成し、マゴロニ効果によってモーターを駆動します。同時に、TiO2/Ptが広い範囲にゆっくりと放出され、広帯域キセノンランプを使用して太陽光をシミュレートし、ヤヌス粒子を活性化してTNPを分解します。視界が悪いときに壁に沿って這う一部の昆虫や脊椎動物と同様に、化学浸透仮説は、3D プリントされたエンジンも壁に沿って移動すると示唆しています。研究チームは、壁に沿った 3D プリントモーターの動きを研究し、壁面の濡れ性や 3D プリントモーターのサイズと形状を変えることで、動きを調整できることを実証しました。

研究者らは、TiO2 / Ptベースのマイクロアクチュエータが紫外線照射下で分解能力のあるフリーラジカルを形成することを発見しました。3Dプリントモーターはマゴラニ効果の推進力を受けて急速に前進し、これらのフリーラジカルを放出してTNPを最大限に分解しました（図2aを参照）。図2bは、3Dプリントモーターの物理的画像を示しています。図2cは、キャビティに貯蔵された40μLのエタノールと水を放出することによって形成されたマゴラニ効果による3Dプリントモーターの動きを示しています。図2dは、3DプリントモーターがTNP汚染物質を分解している様子を示しています。図2eは、光学顕微鏡下で紫外線下のTNP溶液中のTiO2 / Ptヤヌスマイクロアクチュエータの移動軌跡を示しています。結果は、TNPがマイクロアクチュエータの動きにほとんど影響を与えないことを示しています。図 2f 3D プリントされたモーターを搭載した TiO2/Pt Janus アクチュエーターは、劣化率を大幅に高めることができます。

図 2a) 3D プリントされたモーターの動きと劣化の原理 b) 3D プリントされたモーター c) 水中での 3D プリントされたモーターの動き d) TNP での 3D プリントされたモーターの動き e) UV 照射下での TiO2/Pt Janus マイクロアクチュエータの動きの軌跡 f) TNP 溶液での 3D プリントされたモーターの動きの比較参考文献:
Lei Kong、Adriano Ambrosi、他「大容量ニトロ芳香族爆発物除去のための光駆動スマートマイクロマシンの自走式 3D プリント「航空母艦」」。Advance functional materials。2019

出典：機械製造システム工学国家重点実験室

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