Созданы реактивные микроботы для уборки радиоактивных отходов

Инженеры создали простые миниатюрные устройства, способные эффективно удалять уран из жидких отходов атомных электростанций. Новинка может пригодиться и при ликвидации последствий ядерных катастроф.

Разработка описана в научной статье, опубликованной в журнале ACS Nano группой во главе с Мартином Пумерой (Martin Pumera) из Университета химии и технологии в Праге.

На сегодняшний день в мире действуют 192 атомные электростанции, в том числе десять – в России. При надлежащей эксплуатации атомные электростанции приносят окружающей среде намного меньше вреда, чем тепловые. Однако в результате их работы остаются радиоактивные отходы, в том числе и жидкие (вода с растворёнными и взвешенными в ней опасными веществами).

Естественно попытаться извлечь из воды эти примеси, сделав её безопасной. Именно на это и нацелена новая работа химиков.

Исследователей заинтересовал потенциал металл-органических каркасных структур (MOF). Напомним, что они представляют собой решётку из ионов или небольших групп атомов металлов, связанных органическими "перемычками". В нынешней работе учёные использовали разновидность MOF: цеолитные имидазолатные каркасные структуры (zeolitic imidazolate framework, или ZIF).

Этот класс веществ давно находится на примете у химиков. Например, не так давно на их основе создали безопасное и эффективное ракетное топливо. Однако в данном случае авторов заинтересовали два свойства соединения, обозначаемого ZIF-8.

Во-первых, оно эффективно улавливает уран из воды. Во-вторых, оно вступает в реакцию с перекисью водорода (H2O2). В последнем процессе образуется газ. Пузырьки формируют реактивную струю, толкающую микробота вперёд. Отметим, что подобный способ передвижения микромашин применяется не впервые. Чтобы увеличить эффективность такого двигателя, инженеры добавили к ZIF-8 наночастицы платины в качестве катализатора.

Однако в присутствии перекиси водорода и вообще в кислых средах ZIF-8 нестабильно. Чтобы исправить это, авторы легировали его каркас атомами железа.

Наконец, химики добавили к материалу наночастицы оксида железа (II, III) (Fe3O4). Это сделало материал магнитным.

 

Из такого состава авторы изготовили цилиндры длиной менее 15 микрометров. Эти капсулы были запущены в загрязнённую ураном воду, имитирующую жидкие отходы АЭС. К ней была добавлена перекись водорода (5% по массе).

Под действием реактивных струй микроботы двигались со скоростью 860 ± 230 микрометров в секунду, то есть преодолевали за секунду более 60 собственных длин. За час работы они собрали 96% содержащегося в воде урана. После этого учёные легко извлекли их из воды с помощью магнитного поля (помогли наночастицы оксида железа в составе).

Впрочем, будь это настоящие жидкие отходы, они не стали бы от этого безопасными. Ведь в них содержится не только уран, но и стронций, цезий и другие опасные радионуклиды.