一种实时观察胶体粒子降解的新技术

使用高速原子力显微镜捕获的纳米塑料实时降解的高度图像。左边是含有水的颗粒，右边是不含水的颗粒。资料来源：信州大学的Daisuke Suzuki

在21世纪初，来自英国的科学家们有一个令人担忧的发现，由于塑料垃圾的不断降解，海洋中充斥着小颗粒的塑料（长度小于1毫米）。这些微小的塑料颗粒已经成为一个主要的环境问题。科学家们根据这些小颗粒的大小将其归类为微塑料或纳米塑料；后者专门用于小于一微米的颗粒。

这些颗粒很容易嵌入海洋和淡水动物的体内，这引起了人们对微塑料和纳米塑料污染这一普遍问题的警惕。不幸的是，尽管做出了巨大的努力，研究人员还没有破译出微塑料和纳米塑料产生和随时间变化的详细机制。

这个问题主要在于迄今为止用于观察塑料颗粒降解过程的技术。简单地说，这些方法无法实时观察到单个颗粒的降解。

在此背景下，由日本信州大学的铃木大辅副教授领导的研究小组着手寻找解决这一挑战的办法。在他们发表在《软物质》上的最新研究中，他们展示了一种创新方法，以纳米级的精度实时观察单个微凝胶颗粒的降解过程。这项研究是由日本名古屋大学的Takayuki Uchihashi教授共同撰写的。

拟议的方法有两条主要的调查路线。在研究的第一部分，一个微凝胶被用作理解纳米塑料颗粒行为的模型。所采用的微凝胶是由一种具有交联点的聚合物组成，可以通过使用氧化剂的化学反应裂解。换句话说，构成微小微凝胶球体的长纤维状分子之间的键可以通过调整温度和化学环境以半控制的方式被打破。

该研究的第二条主线是开发一种最先进的技术来实时观察微凝胶的降解情况。研究人员采用了一个精心配置的高速原子力显微镜（HS-AFM）装置，其中包括用放置在悬臂末端的原子大小的尖端 "接触 "样品并测量其偏移。得益于HS-AFM，研究小组能够以极高的精度观察到微凝胶的形状随时间的变化。
在不同温度和微凝胶成分的几次实验后，研究人员对纳米塑料的起源和随着时间的推移如何根据其环境而演变获得了宝贵的见解。"实验显示，虽然含水的纳米塑料很容易让化学反应物在里面扩散，但无水状态的纳米塑料却不容易让反应物扩散。因此，不同状态的纳米塑料表现出完全不同的降解行为，"铃木教授解释说。

微凝胶实时降解的视频说明了这种新方法对于进一步了解微塑料和纳米塑料是多么有用。铃木教授对他们的杰出工作可能产生的影响感到兴奋，他评论说："所提出的方法有可能扩展为一种观察技术，不仅可以评估温度变化，还可以评估日常生活中遇到的其他外部刺激，如紫外线和压力，从而实现在不同环境条件下的纳米级观察。"

总体而言，这项研究的结果将为更好地理解纳米塑料铺平道路。反过来，这将使科学家和工程师有更好的机会来对抗这种难以捉摸的海洋污染。

此外，由于微型和纳米塑料是用于粘合剂、油漆和化妆品等日常产品的基本材料，对它们的降解过程有一个更坚实的掌握将有助于制定指导方针以减轻它们对环境的影响。这样的知识在先进的药物输送系统中也是有用的，因为凝胶作为药物的输送剂发挥着关键的作用。

铃木教授总结说："这项研究有望引起公众对微型和纳米塑料的兴趣，促使他们重新考虑塑料的使用，这是纳米塑料的主要来源。"

参考资料：Yuichiro Nishizawa et al, Single microgel degradation governed by heterogeneous nanostructures, Soft Matter (2023). DOI: 10.1039/D3SM00216K