로봇이 나노 입자의 환경 적 운명을 이해하도록 돕는 방법

환경 적으로 양성인 나노 입자를 합리적으로 설계하기 위해, 우리는 그들의 환경 적 운명을 정확하게 예측할 수 있어야합니다. 유기 화학 물질의 환경 적 운명 을 예측하기 위해 비교적 강력한 모델링 도구를 사용할 수 있지만나노 입자와 유사한 도구는 초기 단계에있다. 이것은 주로 변화 될 수있는 미친 다양한 나노 입자 특성 (예를 들어, 조성, 크기, 형상, 표면 화학 등)에 기인하여, 연구 할 똑같이 미친 다양한 나노 입자를 초래한다. 또한, 우리는 이러한 나노 입자에 대해 거의 알지 못합니다. 나노 입자의 환경 적 운명을 제어하는 ​​중요한 특성 중 하나는 함께 모여서 현탁 물에서 빠져 나올 가능성이 있으며, 이는 잠재적으로 환경 이동성을 제한합니다.

응집과 같은 특성을 연구하는 데있어 한 가지 문제는 자연적인 수생 환경을 통제 된 방식으로 정확하게 모방하기 위해서는 물의 다양한 특성 (예 : pH, 염분 함량)을 독립적으로 변화시켜야하지만 많은  실험 이 필요하다는 것 입니다. 비엔나 대학의 연구원들이 나노 입자 현탁액을 자동으로 샘플링하고 분석하는 로봇의 도움을 요청한 이유입니다. 그들은 다른 농도의 NaCl, CaCl 2 , Na 2 SO 4 , Na 4 P 2 O 7 및 SuWanee River Natural Organic Matter (NOM)가 TiO 2 현탁액에 미치는 영향을 조사했습니다.각각의 염 / NOM 농도에서 용액의 pH를 변화시키는 나노 입자. 그들은 정해진 시간 후에 현탁액에 남아있는 나노 입자 의 농도 (mg / L TiO 2 ), 제타 전위 및 크기를 측정했다. 이 데이터는 위와 같은 일련의 2 차원 등고선 도표로 시각화되었습니다. 이 실험 설계는 개념적으로 아래에 전달됩니다.

나는이 연구의 수집 된 결과가 흥미 롭다는 것을 인정해야하지만, 그 개별적인 결과는 그처럼 마음을 산산조각 내지 않았다. 그러나 내 지식으로는이 접근법은 유용한 데이터의 양으로 다른 모든 접근법을 물 밖으로 날려 버립니다. 모든 결과를 안내하지는 않지만 몇 가지 예시 결과에 대한 간략한 개요를 제공합니다.

우리가 뛰어 들기 전에 언급할만한 복잡한 실험 설계에 대해 두 가지 비트가 있습니다. 실험 설계에는 다른 중요한 여러 가지 측면이 있지만 여기서는 다루지 않겠지 만이 두 가지 문제가 가장 관련성이 있다고 생각합니다.

첫째, 결정하기 위해  때  그들은 그 측정을 수행하는 로봇을 말해야한다, 저자는 간단하게 나노 입자의 응집의 역학을 공부했다. 그들은 다양한 조건에서 입자가 초기 1 ~ 10 시간 동안 매우 빠른 응집 기간을 거쳤다는 것을 확인했습니다. 그 후 로봇이 샘플링을 수행하는 동안 (15 시간) 훨씬 느린 집계의 비교적 안정적인 기간이 이어졌습니다.

둘째, 응집 정도를 판단하기 위해 콜로이드 부유 입자에 의해 산란되는 빛의 양을 측정하는 네 필로 메트릭 탁도 ( nephelometric turbidity) 방법을 사용하여 현탁액에 남아있는 반응 집 입자의 농도  를 측정했습니다. 탁도를 mg / L TiO 2 로 전환하기 위해  , 서로 다른 크기의 입자가 빛을 다르게 산란시키기 때문에 동일한 크기의 안정화 된 ( "비 응집 된") 나노 입자를 사용하여 보정 곡선을 수행했습니다. . 그러나 그들의 실험 동안 그들은 크기가 약 200 내지 1000 nm 범위의 크기를 갖는 나노 입자 현탁액의 탁도를 측정 하였다. 저자는 "탁도는 크기 분포가 넓고 평균 입자 직경이 입사광 파장의 범위 인 870 nm 인 이들 실험 조건 하에서 입자 농도의 유효 근사치"라고 진술했다. 이 주장은 많은 발견이 문헌에보고 된 것과 일치한다는 사실에 의해 뒷받침되지만, 연구 결과를 해석 할 때이를 명심해야합니다.

이제 데이터에! NOM 실험부터 시작합니다. 첫째, 여기 NOM에 대해 알아야 할 것이 있습니다 : 거의 중성 pH에서 음이온 성입니다 (부분적으로 분해 된 유기물에서 많은 COOH 및 OH 그룹을 생각하십시오). 이 연구에서 음이온 성 NOM은 연구 된 모든 pH 값에 걸쳐 TiO 2 표면에 흡착 되어 높은 음의 제타 전위 (아래 오른쪽 그래프)를 초래했습니다. 제타 전위는 표면 전하와 직접적으로 상관되는 것으로 생각할 수 있습니다. 표면 전하가 많으면 일반적으로 나노 입자가 서로 반발하고 응집되지 않습니다. 이러한 응집 부족 ( 높은 TiO 2 로 측정 됨) 현탁액에 남아있는 농도 )은 연구자들이 찾은 것과 정확히 일치합니다 (아래 왼쪽 그래프). 이 발견은 이전과 일치합니다문헌에보고되었다 . 정전기 반발을 고려할 때 표면 전하의 부호가 크기보다 작기 때문에 제타 전위의 절대 값이 간단히 표시됩니다.

이와 동일한 NOM- 안정화 현상  이  대수층에서 대장균 박테리아에  대해 관찰 되었으며  , 이는 매우 시원합니다. 나노 입자를 생각할 때와 같은 방식으로 박테리아를 생각할 수 있습니다 !!

더 멋진 그래프로. NaCl을 사용한 테스트 결과는 다음과 같습니다. 제타 전위 그래프 (오른쪽)에서 위쪽에서 아래쪽으로가는 어두운 blobby 선을 볼 수 있습니다. 중심은  나노 입자 의 제로 전하 지점에 해당합니다. 또는 순수한 표면 전하가없는 조건 (pH conditions 4.6). NaCl은 이들 입자의 제타 전위에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 보이며, 이는 NaCl이 나노 입자상의 특정 표면 부위와 상호 작용하지 않음을 나타낸다. TiO 2에서농도 그래프 (왼쪽)에서 NaCl 농도에 관계없이 제로 충전 지점에서 입자가 응집됨을 알 수 있습니다. NaCl 농도는 해당 pH에서 입자 사이의 낮은 정전기 반발로 인해 예상됩니다. 그러나, 낮고 높은 pH 값에서, 나노 입자 현탁액은 비교적 안정하지만, NaCl 농도가 증가함에 따라 응집 경향이 증가한다. 이것은 나노 입자의 표면 근처에서 집중되는 나트륨 이온에 의해 발생하는 잘 기록 된 현상 으로, 입자 주위의 전기 이중층 을 압축 하고 입자 사이의 충돌로 인해 입자가 서로 달라 붙는 빈도를 증가시킵니다. 여기 와 여기에 ).

마지막으로, Na 2 SO 4 를 사용한 예 는이 필드가 얼마나 복잡한지를 보여줍니다. 아래의 농도 그래프 (왼쪽)는 TiO 2 가 낮고 반 친숙해 보입니다.그래프 중간의 농도 (제로 전하 지점 주변의 낮은 정전기 반발로 인한) 및 그래프의 상단 (높은 이온 강도에서 전기 이중층의 압축으로 인한). 그러나 제타 전위 그래프 (오른쪽)는 약간 이상하게 보입니다. 황산염 음이온은 입자의 표면과 상호 작용하는 것이 명백하다. 높은 pH에서 제타 전위는 비교적 음 (-20mV)이기 때문에 높은 pH 값에서 농도 그래프에서 관찰되는 안정성을 설명한다. 낮은 pH 값에서, 제타 전위가 +5 mV보다 더 높은 값에 도달하지 않기 때문에 황산염 상호 작용이 다시 분명해진다 (많은 양으로 하전 된 표면에 작용하는 많은 황산염 음이온). 이 낮은 제타 전위에서는 입자가 응집 될 것으로 예상됩니다. 하나, 농도 그래프는 이러한 조건에서 집계되지 않음을 보여줍니다. 저자는 단순히 "특히 다가 이온의 경우 낮은 제타 전위 크기와 낮은 분산 안정성 사이의 상관 관계가 항상 존재하지는 않는다"고 말합니다. 우리는 이것이 왜 그런지 숙고해야합니다.

이 데이터를 환경 적으로 관련된 표면에 나노 입자의 부착과 같은 다른 데이터와 결합하여 나노 입자 환경 운명에 대한 완전한 예측 모델을 개발하는 데 다소 시간이 걸릴 수 있지만,이 보고서는 확실히 올바른 방향으로의 단계를 나타냅니다. 이 연구자들이이 기술을 사용하여 다양한 조성 또는 표면 화학의 나노 입자를 조사하기를 기대하지만 기다려야합니다!