Пластиковое загрязнение присутствует повсюду: в реках и океанах, в воздухе и горах, даже в нашей крови и жизненно важных органах. Большинство людей обращают внимание на опасность микропластика — фрагментов размером менее 5 миллиметров. Однако класс фрагментов ещё меньше — нанопластики — может представлять больший риск для нашего здоровья и окружающей среды.
Нанопластики с диаметром менее микрометра (одной миллионной метра) могут преодолевать важные биологические барьеры и накапливаться в организме. Их обнаружение чрезвычайно сложно и дорого. Поэтому оценка степени их воздействия была в значительной степени догадками.
Простой и надёжный способ обнаружения нанопластиков
Дешёвый, простой и надёжный способ обнаружения нанопластиков — первый шаг в оценке их потенциального воздействия. В нашем новом исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature Photonics, мы с коллегами описываем простой, недорогой метод, который позволяет обнаруживать, определять размер и подсчитывать нанопластики, используя только стандартный микроскоп и базовую камеру.
Влияние тепла на окружающую среду и системы
Пластик полезен благодаря своей прочности, но это же свойство делает его проблематичным. Пластик не исчезает. Он не разлагается в экосистеме так же, как другие материалы. Вместо этого солнечный свет, тепло и механическое напряжение медленно расщепляют пластик на всё более мелкие фрагменты. Более крупные куски становятся микропластиками, которые в конечном итоге превращаются в нанопластики, когда их размер становится менее одного микрометра.
Нанопластики могут проходить через важные биологические барьеры, такие как гематоэнцефалический и плацентарный барьеры. Они могут накапливаться в наших органах, включая лёгкие, печень и почки. Они также могут переносить в наш организм другие загрязнители, такие как загрязнители и тяжёлые металлы.
Однако, несмотря на эти опасности, реальных данных о нанопластиках мало. Сегодня обнаружение и определение размера частиц менее одного микрометра часто зависит от сложных методов разделения и фильтрации, за которыми следуют дорогостоящие процессы, такие как электронная микроскопия.
Оптическое сито
Чтобы решить эти проблемы, наша международная команда из Мельбурнского университета и Университета Штутгарта в Германии поставила перед собой задачу сделать обнаружение простым, доступным и портативным.
Результатом нашей совместной работы стало оптическое сито: массив крошечных полостей с разными диаметрами, вытравленными на поверхности полупроводникового материала, называемого арсенидом галлия.
Физики называют эти полости «полостями Ми». В зависимости от их размера они производят определённый цвет, когда на них падает свет. Когда капля жидкости, содержащая нанопластики, течёт по поверхности, наночастицы имеют тенденцию оседать в полостях, которые точно соответствуют их размеру.
Затем, с помощью химической промывки, несоответствующие частицы смываются, в то время как соответствующие остаются на месте под действием электромагнитных сил.
Эта часть проста. Но процесс не стал бы дешевле или более портативным, если бы для визуализации захваченных частиц всё ещё требовался большой и дорогой электронный микроскоп.
Однако есть ключ: когда частица попадает в полость, она меняет цвет этой полости. Это означает, что заполненные полости легко отличить от пустых под стандартным световым микроскопом с обычной цветной камерой, часто переходя от голубоватых к красноватым оттенкам.
Наблюдая за изменением цвета, мы можем увидеть, какие полости содержат частицы. Поскольку только частицы определённого размера заполняют полости определённого размера, мы также можем определить их размер.
В наших экспериментах, используя только наше оптическое сито, стандартный световой микроскоп и простую камеру, мы смогли обнаружить отдельные пластиковые сферы диаметром около 200 нанометров — прямо в диапазоне размеров, который имеет значение для нанопластиков.
Влияние тепла на системы и устройства
Доктор Джуд Осара, доцент факультета инженерных технологий, разработал новую научную основу для количественной оценки воздействия тепла. Его выводы были опубликованы в статье «Остудите это! О диссипации энергии, тепловыделении и термической деградации: микроструктурная энтропия и её применение к реальным системам» в журнале Applied Mechanics.
Согласно Организации Объединённых Наций, потребление электроэнергии для охлаждения, вероятно, удвоится к 2040 году. Понимание роли тепла необходимо для улучшения проектирования, стратегий охлаждения и устойчивого использования систем. С этой целью доктор Осара вводит концепцию микроструктурной тепловой (МСТ) деградации — повреждения, причинённого теплом микроструктуре материалов и систем.
«Мои расчёты показывают, что тепло — это не просто побочный продукт, но активный механизм, который ухудшает производительность и ускоряет деградацию», — сказал доктор Осара. «У элитных велосипедистов, тренирующихся при температуре 32 °C, сердечно-сосудистая нагрузка была на 27 % выше, чем при 23 °C. В литий-ионных батареях почти 40 % потери ёмкости было связано с микроструктурной тепловой деградацией».
Эта основа была применена к различным системам, от физиологии человека до аккумуляторов, подшипников и смазочных материалов. Результаты подчёркивают важность учёта теплового механизма учёными, инженерами и врачами при анализе, проектировании и техническом обслуживании.
study published today in Nature Photonics, my colleagues and I describe a simple, low-cost method that detects, sizes and counts nanoplastics using nothing more than a standard microscope and a basic camera.»,»What makes plastics useful is their durability. But that is also what makes them problematic.»,»Plastics do not disappear. They are not broken down by the ecosystem in the same way as other materials. Instead, sunlight, heat and mechanical stress slowly split the plastic apart into ever-smaller fragments. Larger pieces become microplastics, which eventually become nanoplastics once they are less than a micrometer in size.»,»At such a small size, they can pass through important biological safeguards such as the blood–brain and placental barriers. They can then start to accumulate in our organs, including our lungs, liver and kidneys. They can also carry other contaminants into our bodies, such as pollutants and heavy metals.»,»Yet, despite these dangers, real-world data on nanoplastics are scarce.»,»Today, detecting and sizing particles below a micrometer often relies on complex separation and filtration methods followed by expensive processes, such as electron microscopy. These methods are powerful. But they’re also slow, costly and usually confined to advanced laboratories.»,»Other optical laboratory techniques, such as dynamic light scattering, work well in \»clean\» samples. However, they struggle in \»messy\» real-world samples such as lake water because they cannot easily distinguish plastic from organic material.»,»To address these issues, our international team from the University of Melbourne and the University of Stuttgart in Germany set out to make detection simple, affordable and portable.»,»The result of our collaborative work is an optical sieve: an array of tiny cavities with different diameters etched into the surface of a type of semiconductor material called gallium arsenide. Essentially, a collection of tiny holes, invisible to the naked eye, in a flat piece of a suitable material.»,»Physicists call these cavities \»Mie voids.\» Depending on their size, they produce a distinct color when light is shone on them. When a drop of liquid containing nanoplastics flows over the surface, the nanoparticles will tend to settle into cavities that closely match their size.»,»Then, with a chemical rinse, mismatched particles wash away while matched ones stay tightly held in place by electromagnetic forces.»,»That part is simple. But it wouldn’t make the process cheaper or more portable if it still required a large, expensive electron microscope to visualize the trapped particles.»,»But here’s the key: when a particle is captured inside a cavity, it changes the color of that cavity. This means filled cavities are easily distinguishable from empty ones under a standard light microscope with an ordinary color camera, often shifting from bluish to reddish hues.»,»By observing color changes, we can see which cavities contain particles. Because only certain-sized particles fill certain-sized cavities, we can also infer their size.»,»In our experiments, using nothing but our optical sieve, a standard light microscope and a simple camera, we were able to detect individual plastic spheres down to about 200 nanometers in diameter—right in the size range that matters for nanoplastics.»,»To validate the concept, we first used polystyrene beads in a clean solution. We observed clear color changes for particles with diameters between 200 nanometers and a micrometer.»,»We then tested a more \»real-world\» sample, combining unfiltered lake water (including biological material) with clean sand and plastic beads of known sizes: 350 nanometers, 550 nanometers and a micrometer.»,»After depositing this mixture onto the optical sieve and then giving it a rinse, we were able to see distinct bands of filled cavities with diameters that matched the beads we had added.»,»This confirmed the optical sieve had successfully detected the nanoplastic particles in the lake water sample and determined their sizes. Importantly, this did not require us to separate the plastics from the biological matter first.»,»Our new method is a first step in developing a cheap, easy and portable method for routine monitoring of waterways, beaches and wastewater, and for screening biological samples where pre-cleaning is difficult.»,»From here, we are exploring paths to a portable, commercially available testing device that can be adapted for a range of real-world samples, especially those like blood and tissue that will be crucial in monitoring the impact of nanoplastics on our health.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tThe Conversation\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t This article is republished from The Conversation under a Creative Commons license. Read the original article.![\"The](\"https://counter.theconversation.com/content/264593/count.gif?distributor=republish-lightbox-advanced\")
\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t «,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Optics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник