自调节浮力驱动水凝胶：废水中微塑料自主搜寻与降解的新型智能材料

研究人员开发了一种基于热响应性聚(N-异丙基丙烯酰胺)(pNIPAM)与多孔有机硅纳米颗粒(NOPs)复合的浮力驱动水凝胶(BDS-gel)，通过葡萄糖氧化酶(GOx)/铂纳米颗粒(Pt-NPs)催化级联反应实现自主浮沉运动，结合四羧基苯基卟啉(TCPP)光敏剂产生的活性氧物种(ROS)高效降解微塑料。该系统在模拟海水中实现98.7%的聚苯乙烯(PS)微塑料降解率，为开放水域污染物治理提供了全自动解决方案。

　　

海洋中的微塑料污染已成为全球性环境危机，这些直径小于5毫米的塑料碎片不仅威胁海洋生物，还能通过食物链进入人体。传统处理方法如膜过滤和电絮凝存在高能耗、难以回收等局限，而新兴的微纳米机器人虽能降解微塑料，却需要外部控制且无法到达深海区域。更棘手的是，密度较高的微塑料（如聚苯乙烯）会沉积在海底黑暗缺氧区域，使得依赖光催化的降解技术难以生效。

针对这一挑战，德国汉诺威莱布尼茨大学（Leibniz Universit?t Hannover）的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。他们设计了一种能自主往返于海床与水面之间的智能材料——浮力驱动水凝胶(BDS-gel)，通过仿生学原理实现了微塑料的"搜寻-运输-降解"全自动化处理。这种材料巧妙整合了热响应性高分子、多孔纳米载体和生物催化系统，在模拟海水中仅需2小时光照即可降解98.7%的聚苯乙烯微塑料，且能循环使用三次以上不失效。

研究团队运用三项核心技术：

1. 热响应性水凝胶合成：以乙烯基功能化多孔有机硅纳米颗粒(NOPs)作为交联剂，构建具有温度敏感膨胀/收缩特性的pNIPAM水凝胶框架，体积变化达90%；
2. 级联催化系统构建：在NOPs孔道内负载铂纳米颗粒(Pt-NPs)和葡萄糖氧化酶(GOx)，实现D-葡萄糖到氧气的原位转化与存储；
3. 光敏-光热双功能涂层：通过聚多巴胺包覆增强微塑料吸附能力，同时搭载卟啉光敏剂产生羟基自由基(·OH)和单线态氧(¹O₂)等活性氧物种(ROS)。

微塑料吸附性能
SEM和热重分析(TGA)显示，膨胀状态的水凝胶通过疏水作用和π-π堆积可吸附57mg聚苯乙烯微球(2μm)，且在多次温度循环中无泄漏。红外光谱696cm^-1处苯环特征峰证实了微塑料的稳定结合。

自主浮力驱动机制
通过调控Pt-NPs浓度(0.2-1.6wt%)可精确控制上浮速度，1.6wt%样品上浮时间缩短75%。TEM层析成像显示Pt-NPs均匀分布在4nm以上孔道中，GOx酶活保持在5.4U/g。当温度低于32°C时，水凝胶膨胀吸收葡萄糖产生氧气气泡；光照加热至40°C后，凝胶收缩释放气体实现下沉。

光催化降解效率
Raman光谱(1003cm^-1苯环呼吸峰消失)和TGA证实，TCPP光敏剂在模拟阳光下2小时内降解98.7%微塑料，而对照组仅降解4.1%。动态光散射(DLS)检测证实无纳米塑料副产物释放。

材料稳定性验证
固体核磁(MAS NMR)和EDX分析表明，经过三次循环后，凝胶的硅氧骨架和铂/硫元素含量保持稳定，红外光谱未出现新振动峰，证明ROS未损伤材料结构。

这项研究开创性地将环境响应性材料、生物催化与光化学技术融合，解决了开放水域污染物处理的三大难题：深水区污染物定位难、传统方法能耗高、降解过程可控性差。其模块化设计允许通过更换光敏剂适配不同塑料类型（如聚乙烯、PVC），为海洋、湖泊等水体的原位修复提供了普适性平台。该成果被审稿人评价为"软材料系统功能集成的典范"，相关技术已申请德国专利，未来有望与无人机遥感技术结合实现大范围污染治理。