26 Jul 2016

Graphen: Nanoroboter aus Graphenoxid reinigen Abwasser

Nanoroboter auf der Basis von Graphenoxid können Schwermetalle oder auch organische Verunreinigungen aus Abwasser entfernen.

26 Jul 2016

 

Graphen, Modell

Foto: Wikipedia / publ. domain, CC  3.0

Graphen ist einer der interessantesten Werkstoffe, die in der jüngsten Vergangenheit gefunden wurden. Daher gibt es weltweit viele Forschergruppen, die sich mit möglichen Anwendungen des „Superwerkstoffs“ beschäftigen. Nun ist es Forschern am Max-Planck-Institut in Stuttgart gelungen, mit winzigen Nanorobotern auf der Basis von oxidiertem Graphen, Graphenoxid, Schwermetalle wie Blei und auch organische Verschmutzungen aus belastetem Abwasser zu entfernen.

 

 

Nanoroboter aus Graphenoxid verfügen über Eigenantrieb

Die winzigen Roboter verfügen über einen raffinierten Eigenantrieb und sind aus mehreren Schichten aufgebaut: zwischen dem Graphenoxid und einer Platinschicht wird eine Nickel-Schicht eingebracht. Die Eigenschaften dieses ferromagnetischen Metalls ermöglichen es, die Bewegung, Geschwindigkeit und Richtung des Mikroroboters magnetisch von außen zu steuern.

Graphenoxid, Struktur

Foto: Wikipedia / public domain

Dabei gibt es eine Aufgabenverteilung in den einzelnen Schichten: die Außenhülle aus Graphenoxid ist der „Fänger“, der gelöste das Blei-Ionen einfangen kann. Die innere Platinschicht funktioniert als Antrieb: dem Industrieabwasser werden kleine Mengen Wasserstoffperoxid zugesetzt; an der Platinschicht wird dieses zu Wasser und Sauerstoff umgesetzt – der entstehende Sauerstoff dient in Form winzig kleiner Bläschen als „Heckantrieb“ für die Mikroroboter. So können in dem Abwasser Schadstoffe beseitigt werden, ohne eine zusätzliche Verschmutzung einzutragen.

Ein Nanoroboter allein ist winzig – doch die Masse macht’s

Ein einzelnes System kann natürlich nur winzige Mengen an Abwasser reinigen, aber immerhin: der Gehalt an gelöstem Blei in einem Industrieabwasser kann auf diese Weise in nur ca. einer Stunde von einem Niveau von 1000 Teile pro Milliarde (ppb) bis auf unter 50 ppb reduziert werden. Das abgetrennte Blei kann zum weiteren Recycling abgetrennt und die winzigen Roboter können immer wieder verwendet werden. Die Menge gereinigtem Wasser lässt sich dabei erheblich vergrößern, wenn statt einem einzelnen System Schwärme mit vielen Tausend Systemen bewegt werden.

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(Video: YouTube, Standard-Lizenz, ACS / American Chemical Society)

Gerade geringe Konzentrationen von Schwermetallen in Industrieabwasser sind auf klassischem Wege (z.B. durch Flotation oder Fällungsreaktionen) kaum abzutrennen, da große Mengen an Abwasser bewegt (filtriert, gepumpt, rückgespült, …) werden müssen. 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 daher eine Lösung, die potenziell schneller und günstiger als aktuelle Methoden der Abwasserreinigung ist.

Steuerung über Magnetfelder

Die Steuerung über ein äußeres Magnetfeld ermöglicht natürlich auch noch zahlreiche weitere Anwendungen neben der Abwasserreinigung. So ist es beispielsweise möglich, solche Mikroroboter-Schwärme zukünftig durch ein automatisiertes System zu steuern und die „Fahrwege“ in einer Software zu hinterlegen. Dabei sollte es möglich sein, sie mittels Magneten dazu zu bringen, verschiedene Aufgaben zu erfüllen. Der Vorteil von Graphen ist dabei, dass es chemisch sehr stabil ist und daher auch in aggressiven Medien (Säuren, Laugen) nicht angegriffen wird. Wer weiß, vielleicht werden dann in Zukunft Nanoroboter aus Graphen, ausgerüstet mit dem geeigneten Werkzeug und durch die Bauchdecke gesteuert, Magengeschwüre, Tumore u.a. entfernen? …

Vielfältige Aufgaben möglich

Und dabei wäre es nicht einmal kritisch, wenn ein solches System ausfällt; da die Massenherstellung bei diesen Systemen kein Problem darstellt, kann schnell Ersatz „vor Ort“ geschafft werden; oder man arbeitet eben gleich mit einer Vielzahl solcher Systeme, dann wäre eine ausreichende Redundanz an der angesteuerten „Arbeitsstelle“ erreichbar.

Und die magnetische Steuer- und Lenkbarkeit hat noch einen weiteren Vorteil: nach getaner Arbeit können die Nanoroboter auf diesem Wege wieder eingesammelt und entfernt werden. Ein System, das sich viele Eltern sicherlich auch für die Zimmer ihrer lieben Kinder wünschen würden – auf Knopfdruck alles weg- und aufgeräumt …

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Blog-Beiträge Dr. Matthias Brück

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