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Reconfigurable self-assembly of photocatalytic magnetic microrobots for water purification

光催化 纳米机器人学 纳米技术 材料科学 化学工程 化学 催化作用 有机化学 工程类
作者
Mario Urso,Martina Ussia,Peng Xia,Çağatay M. Oral,Martin Pumera
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:14 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-023-42674-9
摘要

Abstract The development of artificial small-scale robotic swarms with nature-mimicking collective behaviors represents the frontier of research in robotics. While microrobot swarming under magnetic manipulation has been extensively explored, light-induced self-organization of micro- and nanorobots is still challenging. This study demonstrates the interaction-controlled, reconfigurable, reversible, and active self-assembly of TiO 2 /α-Fe 2 O 3 microrobots, consisting of peanut-shaped α-Fe 2 O 3 (hematite) microparticles synthesized by a hydrothermal method and covered with a thin layer of TiO 2 by atomic layer deposition (ALD). Due to their photocatalytic and ferromagnetic properties, microrobots autonomously move in water under light irradiation, while a magnetic field precisely controls their direction. In the presence of H 2 O 2 fuel, concentration gradients around the illuminated microrobots result in mutual attraction by phoretic interactions, inducing their spontaneous organization into self-propelled clusters. In the dark, clusters reversibly reconfigure into microchains where microrobots are aligned due to magnetic dipole-dipole interactions. Microrobots’ active motion and photocatalytic properties were investigated for water remediation from pesticides, obtaining the rapid degradation of the extensively used, persistent, and hazardous herbicide 2,4-Dichlorophenoxyacetic acid (2,4D). This study potentially impacts the realization of future intelligent adaptive metamachines and the application of light-powered self-propelled micro- and nanomotors toward the degradation of persistent organic pollutants (POPs) or micro- and nanoplastics.

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