納米世界的「師士傳說」：納米「機甲戰士」大戰水污染

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場景1：在浩瀚的宇宙中，一位駕著名叫「牧殤」的殘破光甲的少年葉重在星空里探索、歷險戰鬥，他技術精湛、性格倔強、視角犀利，與功能強大、變化多端的機甲牧殤一起書寫了浩渺神秘星空的師士傳說（見方想網路名著《師士傳說》）。

場景2：神偷奶爸Gru帶領他的小黃人軍團不但一起製造了宇宙飛船偷月亮，還釀製果醬戰勝了研製基因毒藥的恐怖分子…….

場景3：強大的變形金剛霸天虎和他的變形汽車人軍團正在和敵方團隊激烈戰鬥…….

圖1. 啟發本文的三個故事：《師士傳說》、《神偷奶爸》、《變形金剛》

以上故事啟發了加拿大卡普頓大學環境能源中心從事水環境修復的研究人員書寫關於納米版「機甲戰士」的新篇章。他們合成了帶負電荷的二氧化硅包覆四氧化三鐵的核殼結構作為載體，引導帶正電荷的MgFe氫氧化物納米薄片（鎂鐵納米水滑石結構）在其表面自組裝，形成內外三層的納米複合結構（圖2），一個個結構高度一致的納米顆粒於是就組成了與水中化學污染物作戰的「機甲戰士」軍團。

Figure 1. TEM images of (A) Fe3O4, (B)Fe3O4@SiO2, (C)Fe3O4@SiO2@MgFe-LDH, and (D) a singleFe3O4@SiO2@MgFe-LDH nanoparticle, demonstrating the well-defined self-assembling of MgFe-LDH shell around theFe3O4@SiO2core. The insets of (A), and (B) are the corresponding high resolution TEM images ofFe3O4, andFe3O4@SiO2, respectively. (E) Adsorption kinetic curve of methyl orange (MO) byFe3O4@SiO2@MgFe-LDH nanobots; inset: UV–vis absorption spectra of MO before and after adsorption by different dosage ofFe3O4@SiO2@MgFe-LDH nanobots. (F) The scheme (left) and image (right) of Fenton degradation of MO (the MO solution without H2O2serves as negative control for comparison).

最有趣的是，這些具有超順磁性的「戰士」身著可變形的多功能納米水滑石「盔甲」，當每一位「戰士」分散到污水中，其「盔甲」利用帶有的強正電荷可以快速吸附水中帶負電的污染物分子，例如染料或藥物分子，這套多功能「盔甲」的多孔性特徵賦予其很大的吸附容量。隨後作者利用納米機器人超強的鐵磁反應性能，用一塊磁鐵就可以很快將所有的「戰士們」聚集回收，加入少量酸便能讓這些超薄的多孔性「盔甲」及其包裹的污染物分子釋放到雙氧水溶液中，此時鐵磁顆粒「戰士」被回收結集。析出的鐵離子和雙氧水構成了酸性條件下的芬頓試劑，可以產生高反應性的羥基自由基對有機分子進行高效降解。降解完成後，體系中加入鹼（氫氧化鈉或者氨水）調節溶液的pH至鹼性，鐵離子和鎂離子可重新變成納米水滑石「盔甲」武裝納米鐵磁「戰士」，進而執行下一輪的戰鬥任務（Scheme 1）。

Scheme 1. Dye removal and degradation protocol: (1) MO enrichment intoFe3O4@SiO2@MgFe-LDH nanobots via electrostatic attraction and coordination chemistry; (2) acid-mediated LDH dissolution into component ions and free MO; (3) magnetic separation ofFe3O4@SiO2NPs; (4) Fenton degradation of MO by hydroxyl radicals; (5) LDH Regeneration; and (6) nanobot regeneration via mixing.

這些「機甲戰士」很容易批量生產形成「克隆軍隊」，簡單的合成流程、快速的組裝方法、高效的吸附降解、超強的循環再生能力——這些特點都體現在剛剛發表在英國皇家化學會旗下的期刊Chemical Communications中的文章里。論文的通訊作者Xu Zhang博士是卡普頓大學環境能源中心的首席科學家，第一作者是該團隊的博士後研究員單志（現任職於四川農業大學生命科學院副教授）。

該論文作者為：Zhi Shan, Mingsheng Lu, Dennis E. Curry, Stefanie Beale, Stephen Campbell, Kristin M. Poduska, Craig Bennett, Ken D. Oakesaf and Xu Zhang

Regenerative nanobots based on magnetic layered double hydroxide for azo dye removal and degradation

Chem. Commun.,2017, DOI: 10.1039/C7CC05081J

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