Eine neuartige Technik zur Beobachtung des Abbaus kolloidaler Partikel in Echtzeit

Anfang der 2000er Jahre machten Wissenschaftler aus dem Vereinigten Königreich die besorgniserregende Entdeckung, dass es in den Ozeanen aufgrund des kontinuierlichen Abbaus von Plastikmüll von kleinen Plastikpartikeln (weniger als einem Millimeter Länge) wimmelt. Diese mikroskopisch kleinen Kunststoffpartikel sind zu einem großen Umweltproblem geworden. Wissenschaftler klassifizieren diese kleinen Partikel aufgrund ihrer Größe entweder als Mikroplastik oder Nanoplastik; letzterer Begriff wird ausschließlich für Partikel verwendet, die kleiner als ein Mikrometer sind.

Diese Partikel lagern sich leicht in den Körper von Meeres- und Süßwassertieren ein, was Anlass zu Besorgnis über das allgegenwärtige Problem der Verschmutzung durch Mikro- und Nanoplastik gibt. Leider ist es den Forschern trotz erheblicher Bemühungen immer noch nicht gelungen, die detaillierten Mechanismen zu entschlüsseln, durch die Mikro- und Nanoplastik entsteht und sich im Laufe der Zeit verändert.

Das Problem liegt vor allem in den Techniken, mit denen bisher der Abbauprozess von Kunststoffpartikeln beobachtet wird. Vereinfacht gesagt können diese Methoden den Zerfall in einzelne Partikel nicht in Echtzeit beobachten.

Vor diesem Hintergrund machte sich ein Forschungsteam unter der Leitung von Associate Professor Daisuke Suzuki von der Shinshu-Universität in Japan daran, eine Lösung für diese Herausforderung zu finden. In ihrer neuesten Studie, die in veröffentlicht wurde Weiche MaterieSie demonstrierten einen innovativen Ansatz, um den Abbauprozess einzelner Mikrogelpartikel in Echtzeit mit nanometrischer Präzision zu beobachten. Die Studie wurde von Professor Takayuki Uchihashi von der Universität Nagoya in Japan mitverfasst.

Der vorgeschlagene Ansatz umfasst zwei Hauptuntersuchungslinien. Im ersten Teil der Studie wurde ein Mikrogel als Modell verwendet, um das Verhalten von Nanoplastikpartikeln zu verstehen. Das verwendete Mikrogel bestand aus einem Polymer mit Vernetzungspunkten, die durch chemische Reaktionen mit einem Oxidationsmittel gespalten werden konnten. Mit anderen Worten: Die Bindungen zwischen den langen faserähnlichen Molekülen, aus denen die winzigen Mikrogelkügelchen bestehen, könnten durch Anpassung der Temperatur und der chemischen Umgebung auf halbkontrollierte Weise aufgebrochen werden.

Der zweite Hauptuntersuchungsschwerpunkt der Studie war die Entwicklung einer hochmodernen Technik zur Visualisierung des Abbaus des Mikrogels in Echtzeit. Die Forscher verwendeten einen sorgfältig konfigurierten Hochgeschwindigkeits-Rasterkraftmikroskop-Aufbau (HS-AFM), bei dem die Probe mit einer Spitze in Atomgröße am Ende eines Auslegers „berührt“ und deren Auslenkung gemessen wurde. Dank HS-AFM konnte das Team die Veränderung der Form des Mikrogels im Laufe der Zeit mit äußerst hoher Präzision beobachten.

Nach mehreren Experimenten bei unterschiedlichen Temperaturen und Mikrogelzusammensetzungen gewannen die Forscher wertvolle Erkenntnisse darüber, wie Nanokunststoffe je nach Umgebung entstehen und sich im Laufe der Zeit entwickeln. „Die Experimente ergaben, dass Nanoplastik, das Wasser enthält, chemische Reaktanten leicht ins Innere diffundieren lässt, Nanoplastik in wasserfreiem Zustand jedoch nicht ohne weiteres die Diffusion von Reaktanten zulässt. Somit zeigten Nanoplastik in verschiedenen Zuständen ein völlig unterschiedliches Abbauverhalten“, erklärt Prof. Suzuki.

Die Videos des Echtzeitabbaus der Mikrogele veranschaulichen, wie nützlich dieser neue Ansatz für das Verständnis von Mikro- und Nanoplastik sein könnte. Begeistert von den möglichen Implikationen ihrer bemerkenswerten Arbeit kommentiert Prof. Suzuki: „Der vorgestellte Ansatz hat das Potenzial, zu einer Beobachtungstechnik erweitert zu werden, die nicht nur Temperaturschwankungen, sondern auch andere äußere Reize im Alltag, wie etwa ultraviolette Strahlung, beurteilen kann.“ Licht und Stress, was nanoskalige Beobachtungen unter verschiedenen Umweltbedingungen ermöglicht.

Insgesamt werden die Ergebnisse dieser Studie den Weg zu einem besseren Verständnis von Nanoplastik ebnen. Dies wiederum wird Wissenschaftlern und Ingenieuren eine bessere Chance geben, diesen schwer fassbaren Aspekt der Meeresverschmutzung zu bekämpfen.

Da es sich bei Mikro- und Nanoplastik außerdem um wesentliche Materialien handelt, die in Alltagsprodukten wie Klebstoffen, Farben und Kosmetika verwendet werden, kann ein genaueres Verständnis ihres Abbauprozesses dabei helfen, Richtlinien zur Minderung ihrer Umweltauswirkungen zu entwickeln. Dieses Wissen wäre auch für fortschrittliche Arzneimittelverabreichungssysteme von Nutzen, bei denen Gele eine zentrale Rolle als Arzneimittelverabreichungsmittel spielen.

Prof. Suzuki kommt zu dem Schluss: „Diese Forschung wird hoffentlich das Interesse der breiten Öffentlichkeit an Mikro- und Nanoplastik wecken und sie dazu veranlassen, ihren Plastikverbrauch, die Hauptquelle von Nanoplastik, zu überdenken.“