以水环境问题为导向的微纳马达的构筑及应用研究

Micro/nanomotors are micro/nanoscale devices capable of converting energy into mechanical motion. Attributed to the small size, autonomous motion and self-stirring, micro/nanomotors provide brand new solutions to environmental issues with water. However, additional efforts are still needed to realize their practical applications. This project focuses on the main problems impeding the realization of their envisioned applications. Starting from improving detection methods of contaminants, we want to establish fluorescence detection approaches based on micro/nanomotors to achieve specific, on-site and real-time detection of pollutants. From the viewpoint of water decontamination, magnetically driven micro/nanomotors with large hydrophobic surface area will be developed for in-situ adsorption of oily contaminants. In the aspect of degradation of organic pollutants, catalysts for degradation reactions will be loaded in micro/nanomotors to enhance the removal efficiency and to reduce secondary pollution. These studies will pave way for building multifunctional micro/nanomotor platforms integrating detection and removal of pollutants.

微纳马达是一种可以将其它形式的能量转化为机械能，产生自主运动的微纳米器件。得益于其体积微小、自主运动和自动搅拌等特点，微纳马达为解决水污染问题提供了新的思路和方法，但是离实际应用还有一定距离。本项目围绕阻碍微纳马达投入水环境领域实际应用的问题展开研究。首先，在污染物检测方面，建立基于微纳马达的污染物荧光检测方法，以促进实现污染物的现场快速直观检测，提高检测的效率和准确度。其次，在油性污染物治理方面，制备磁力驱动的、大面积超疏水马达，发展原位高效吸附清理污染物的策略。最后，在处理具有一定水溶性的有机污染物方面，利用微纳马达携带催化剂氧化降解有机污染物，以提高降解效率，减少二次污染。这些研究成果将为推进微纳马达在水环境领域的实际应用，建立基于微纳马达的集污染物检测和污染治理于一体的新平台，提供重要的理论依据和实验基础。

环境问题是当今世界面临的最大的挑战之一，纵观当前我国面临的环境问题，水污染尤其突出。作为一种具有独特驱动特性的微纳米功能材料，微纳马达已成为纳米科学研究的一个热点。微纳马达是一种可以将其它形式的能量转化为机械能，产生自主运动的微纳米器件。得益于体积微小、自主运动和自动搅拌等特点，微纳马达在水环境领域的应用研究已经取得了初步进展，但是离实际应用还有一定距离。本研究主要针对污染物检测方法不适用于现场快速特异检测、油性污染物和重金属吸附清理效率低、有机污染物的降解方法有限等实际应用中面临的问题，拟在前期研究的基础上，围绕上述阻碍微纳马达投入水环境领域实际应用的问题展开研究，旨在形成较完整的基于微纳马达的水污染治理策略。首先，在污染物检测方面，建立了基于微纳马达的污染物荧光检测方法，可通过荧光开关在几分钟内实现水中污染物的特异性检测，促进了污染物的现场快速直观检测，并且证明了微纳马达的自主运动在微量样品和低浓度分析物检测中的作用，提高了检测的效率和准确度。然后，针对马达功能化面积有限而导致的吸附效率低的问题，通过合理设计具有三维结构的马达，增强比表面积，提高吸附效率，发展了原位高效吸附清理污染物的策略。最后，在处理具有一定水溶性的有机污染物方面，利用微纳马达的增强扩散作用，将其用作高级氧化反应的活性异相催化剂，从而克服了传统均相催化剂难于回收、容易造成二次污染的缺点以及异相催化剂由于扩散率低导致的降解效率不佳的问题。此外，通过细胞毒性试验和小鼠试验，对微纳马达的生物兼容性和安全性进行了评估。 这些研究成果为建立基于微纳马达的集污染物检测与治理于一体的多功能平台提供了有利的技术和理论支撑，有望为我国水污染治理提供新的思路和方法。