Go raibh maith agat as cuairt a thabhairt ar Nature.com. Tá leagan brabhsálaí in úsáid agat le tacaíocht theoranta CSS. Chun an taithí is fearr a fháil, molaimid duit brabhsálaí nuashonraithe a úsáid (nó Mód Comhoiriúnachta a dhíchumasú in Internet Explorer). Idir an dá linn, chun tacaíocht leanúnach a chinntiú, déanfaimid an suíomh a rindreáil gan stíleanna ná JavaScript.
Taispeánann sé carúsal de thrí shleamhnán ag an am céanna. Úsáid na cnaipí Roimhe Seo agus Ar Aghaidh chun bogadh trí thrí shleamhnán ag an am céanna, nó úsáid na cnaipí sleamhnáin ag an deireadh chun bogadh trí thrí shleamhnán ag an am céanna.
Is féidir le forbairt thapa na nanateicneolaíochta agus a comhtháthú i bhfeidhmeanna laethúla bagairt a dhéanamh ar an gcomhshaol. Cé go bhfuil modhanna glasa chun truailleáin orgánacha a dhíghrádú seanbhunaithe, is ábhar imní mór é aisghabháil truailleán criostalach neamhorgánach mar gheall ar a n-íogaireacht íseal maidir le bithchlaochlú agus easpa tuisceana ar idirghníomhaíochtaí dromchla ábhair le cinn bhitheolaíocha. Anseo, úsáidimid samhail MXenes neamhorgánacha 2T bunaithe ar Nb in éineacht le modh simplí anailíse paraiméadair chruth chun meicníocht bhithleighis nana-ábhar ceirmeacha 2T a rianú ag an micrealgaí glas Raphidocelis subcapitata. Fuaireamar amach go ndíghrádaíonn micrealgaí MXenes bunaithe ar Nb mar gheall ar idirghníomhaíochtaí fisiciceimiceacha a bhaineann leis an dromchla. Ar dtús, ceanglaíodh nana-chalóga MXene aonchiseal agus ilchiseal le dromchla micrealgaí, rud a laghdaigh fás algaí go pointe áirithe. Mar sin féin, tar éis idirghníomhaíocht fhada leis an dromchla, ocsaídigh micrealgaí nana-chalóga MXene agus dhíghrádaigh siad tuilleadh iad i NbO agus Nb2O5. Ós rud é nach bhfuil na hocsaídí seo tocsaineach do chealla micrealgaí, ídíonn siad nana-cháithníní ocsaíd Nb trí mheicníocht ionsúcháin a athbhunaíonn na micrealgaí tuilleadh tar éis 72 uair an chloig de chóireáil uisce. Léirítear éifeachtaí na gcothaithigh a bhaineann le hionsú freisin sa mhéadú ar thoirt na gceall, a gcruth réidh agus an t-athrú ar an ráta fáis. Bunaithe ar na torthaí seo, táimid den tuairim nach mbíonn ach tionchair bheaga comhshaoil ​​​​mar thoradh ar láithreacht ghearrthéarmach agus fhadtéarmach MXenes bunaithe ar Nb in éiceachórais fionnuisce. Is fiú a thabhairt faoi deara, trí úsáid a bhaint as nana-ábhair dhéthoiseacha mar chórais mhúnla, go léirímid an fhéidearthacht claochlú crutha a rianú fiú in ábhair mhínmhínghráin. Tríd is tríd, freagraíonn an staidéar seo ceist bhunúsach thábhachtach faoi phróisis a bhaineann le hidirghníomhaíocht dromchla a thiomáineann meicníocht bhithleighis nana-ábhar 2T agus soláthraíonn sé bunús do staidéir ghearrthéarmacha agus fhadtéarmacha breise ar thionchar comhshaoil ​​​​nana-ábhar criostalach neamhorgánach.
Tá go leor spéise spreagtha i nana-ábhair ó thángthas orthu, agus tá nana-theicneolaíochtaí éagsúla tar éis dul isteach i gcéim nuachóirithe le déanaí1. Ar an drochuair, is féidir le comhtháthú nana-ábhar in iarratais laethúla scaoileadh de thaisme a bheith mar thoradh ar dhiúscairt mhíchuí, láimhseáil neamhfhaireach, nó bonneagar sábháilteachta neamhleor. Dá bhrí sin, is réasúnta glacadh leis gur féidir nana-ábhair, lena n-áirítear nana-ábhair dhéthoiseacha (2T), a scaoileadh isteach sa timpeallacht nádúrtha, nach bhfuil a n-iompar agus a ngníomhaíocht bhitheolaíoch tuigthe go hiomlán fós. Dá bhrí sin, ní haon ionadh é go bhfuil imní éiceathocsaineachta dírithe ar chumas nana-ábhar 2T sceitheadh ​​isteach i gcórais uisceacha2,3,4,5,6. Sna héiceachórais seo, is féidir le roinnt nana-ábhar 2T idirghníomhú le horgánaigh éagsúla ag leibhéil thrófacha éagsúla, lena n-áirítear micrealgaí.
Is orgánaigh phrímitiúla iad micrealgaí a fhaightear go nádúrtha in éiceachórais fionnuisce agus mhuirí a tháirgeann réimse táirgí ceimiceacha trí fhótaisintéis7. Dá bhrí sin, tá siad ríthábhachtach d'éiceachórais uisceacha8,9,10,11,12 ach is táscairí íogaire, saora agus a úsáidtear go forleathan iad freisin maidir le héiceatocsaineacht13,14. Ós rud é go n-iolraíonn cealla micrealgaí go tapa agus go bhfreagraíonn siad go tapa do láithreacht comhdhúile éagsúla, tá gealladh fúthu maidir le modhanna atá neamhdhíobhálach don chomhshaol a fhorbairt chun uisce atá truaillithe le substaintí orgánacha15,16 a chóireáil.
Is féidir le cealla algaí iain neamhorgánacha a bhaint as uisce trí bhith-ionsú agus carnadh17,18. Fuarthas amach go n-iompraíonn agus go gcothaíonn sé fiú iain miotail thocsaineacha amhail Fe2+, Cu2+, Zn2+ agus Mn2+19. Léirigh staidéir eile go gcuireann iain Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ nó Pb2+ teorainn le fás Scenedesmus trí mhoirfeolaíocht na gceall a athrú agus a gclóraplastaí a scrios20,21.
Tá aird eolaithe agus innealtóirí ar fud an domhain tarraingthe ag modhanna glasa chun truailleáin orgánacha a dhíghrádú agus iain mhiotail throma a bhaint. Tá sé seo den chuid is mó mar gheall ar an bhfíric go bhfuil na truailleáin seo indéanta go héasca sa chéim leachtach. Mar sin féin, is sainairíonna truailleáin chriostalacha neamhorgánacha intuaslagthacht íseal uisce agus so-ghabhálacht íseal i leith bithchlaochluithe éagsúla, rud a chruthaíonn deacrachtaí móra i leigheas, agus níl mórán dul chun cinn déanta sa réimse seo22,23,24,25,26. Dá bhrí sin, is réimse casta agus gan iniúchadh fós é an cuardach ar réitigh atá neamhdhíobhálach don chomhshaol chun nana-ábhair a dheisiú. Mar gheall ar an leibhéal ard éiginnteachta maidir le héifeachtaí bithchlaochlaithe nana-ábhar 2T, níl aon bhealach éasca ann chun na bealaí féideartha a bhaineann lena ndíghrádú le linn laghdaithe a fháil amach.
Sa staidéar seo, úsáideadh micrealgaí glasa mar ghníomhaire bithleighis uiscí gníomhach le haghaidh ábhar ceirmeach neamhorgánach, in éineacht le monatóireacht in situ ar phróiseas díghrádaithe MXene mar ionadaí d'ábhair cheirmeacha neamhorgánacha. Léiríonn an téarma "MXene" stoicheiméadracht an ábhair Mn+1XnTx, áit a bhfuil M ina mhiotal trasdulta luath, X ina charbón agus/nó ina nítrigin, Tx ina chríochnóir dromchla (m.sh., -OH, -F, -Cl), agus n = 1, 2, 3 nó 427.28. Ó aimsigh Naguib et al. MXenes. Sensorics, cancer therapy and membrane shell 27,29,30. Ina theannta sin, is féidir MXenes a mheas mar chórais mhúnla 2T mar gheall ar a gcobhsaíocht chollóideach den scoth agus idirghníomhaíochtaí bitheolaíocha féideartha 31,32,33,34,35,36.
Dá bhrí sin, léirítear an modheolaíocht a forbraíodh san alt seo agus ár hipitéisí taighde i bhFíor 1. De réir na hipitéise seo, déanann micrealgaí MXéiní bunaithe ar niobium a dhíghrádú ina gcomhdhúile neamh-tocsaineacha mar gheall ar idirghníomhaíochtaí fisiciceimiceacha a bhaineann leis an dromchla, rud a cheadaíonn tuilleadh téarnaimh na n-algaí. Chun an hipitéis seo a thástáil, roghnaíodh dhá bhall den teaghlach de charbídí agus/nó níotráidí miotail trasdultacha (MXéiní) luatha bunaithe ar niobium, eadhon Nb2CTx agus Nb4C3TX.
Modheolaíocht taighde agus hipitéisí bunaithe ar fhianaise maidir le téarnamh MXene ag micrealgaí glasa Raphidocelis subcapitata. Tabhair faoi deara nach bhfuil anseo ach léiriú sceitseach ar thoimhdí bunaithe ar fhianaise. Tá timpeallacht an locha difriúil ó thaobh an mheáin chothaitheach a úsáidtear agus na coinníollacha (m.sh., timthriall laethúil agus teorainneacha ar chothaithigh riachtanacha atá ar fáil). Cruthaithe le BioRender.com.
Dá bhrí sin, trí MXene a úsáid mar chóras samhail, tá an doras oscailte againn do staidéar a dhéanamh ar éifeachtaí bitheolaíocha éagsúla nach féidir a fheiceáil le nana-ábhair thraidisiúnta eile. Go háirithe, léirímid an fhéidearthacht go ndéanfaí bithleigheas ar nana-ábhair dhéthoiseacha, amhail MXenes bunaithe ar niobium, ag micrealgaí Raphidocelis subcapitata. Tá micrealgaí in ann Nb-MXenes a dhíghrádú ina n-ocsaídí neamh-tocsaineacha NbO agus Nb2O5, a sholáthraíonn cothaithigh freisin tríd an meicníocht iontógála niobium. Tríd is tríd, freagraíonn an staidéar seo ceist bhunúsach thábhachtach faoi na próisis a bhaineann le hidirghníomhaíochtaí fisiciceimiceacha dromchla a rialaíonn meicníochtaí bithleigheasa nana-ábhar dhéthoiseacha. Ina theannta sin, táimid ag forbairt modh simplí bunaithe ar pharaiméadair chruth chun athruithe caolchúiseacha i gcruth nana-ábhar 2T a rianú. Spreagann sé seo tuilleadh taighde gearrthéarmach agus fadtéarmach ar na tionchair chomhshaoil ​​​​éagsúla a bhaineann le nana-ábhair chriostalacha neamhorgánacha. Dá bhrí sin, méadaíonn ár staidéar an tuiscint ar an idirghníomhaíocht idir dromchla an ábhair agus ábhar bitheolaíoch. Táimid ag soláthar an bhunúis freisin do staidéir ghearrthéarmacha agus fhadtéarmacha leathnaithe ar a dtionchair fhéideartha ar éiceachórais fionnuisce, ar féidir iad a fhíorú go héasca anois.
Is rang spéisiúil ábhar iad MXéiní a bhfuil airíonna fisiceacha agus ceimiceacha uathúla agus tarraingteacha acu agus dá bhrí sin go leor feidhmeanna féideartha. Braitheann na hairíonna seo den chuid is mó ar a stoicheiméadracht agus a gceimic dromchla. Dá bhrí sin, inár staidéar, rinneamar imscrúdú ar dhá chineál MXéiní aonchiseal (SL) ordlathacha bunaithe ar Nb, Nb2CTx agus Nb4C3TX, ós rud é gur féidir éifeachtaí bitheolaíocha éagsúla na nana-ábhar seo a fheiceáil. Déantar MXéiní óna n-ábhair thosaigh trí ghreanadh roghnach barr-anuas de shraitheanna A chéim MAX atá tanaí go hadamhach. Is ceirmeach trínártha é an chéim MAX atá comhdhéanta de bhloic “nasctha” de charbídí miotail trasdultacha agus sraitheanna tanaí d’eilimintí “A” ar nós Al, Si, agus Sn le stoicheiméadracht MnAXn-1. Breathnaíodh moirfeolaíocht na céime MAX tosaigh trí mhicreascópacht leictreon scanála (SEM) agus bhí sé comhsheasmhach le staidéir roimhe seo (Féach Faisnéis Fhorlíontach, SI, Fíor S1). Fuarthas Nb-MXéin ilchiseal (ML) tar éis an tsraith Al a bhaint le 48% HF (aigéad hidreafluarach). Rinneadh scrúdú ar mhórfhoirmiú ML-Nb2CTx agus ML-Nb4C3TX trí mhicreascópacht leictreon scanála (SEM) (Fíoracha S1c agus S1d faoi seach) agus breathnaíodh mórfhoirmiú MXene srathach tipiciúil, cosúil le nana-chalóga dháthoiseacha ag dul trí scoilteanna fada cosúil le póir. Tá go leor i bpáirt ag an dá Nb-MXene le céimeanna MXene a shintéisiú roimhe seo trí ghreanadh aigéadach27,38. Tar éis struchtúr MXene a dheimhniú, chuireamar i srath é trí idirshuíomh hiodrocsaíd teitreabúitil-aimóiniam (TBAOH) agus ina dhiaidh sin níochán agus sonication, agus ina dhiaidh sin fuaireamar nana-chalóga Nb-MXene 2D aon-sraithe nó íseal-sraithe (SL).
Bhaineamar úsáid as micreascópacht leictreon tarchurtha ardtaifigh (HRTEM) agus difreactadh X-ghathach (XRD) chun éifeachtúlacht an ghreantála agus an scafa breise a thástáil. Taispeántar torthaí HRTEM a próiseáladh ag baint úsáide as an gClaochlú Fourier Tapa Inbhéartach (IFFT) agus an Claochlú Fourier Tapa (FFT) i bhFíor 2. Díríodh nana-chalóga Nb-MXene leis an imeall suas chun struchtúr an tsraithe adamhach a sheiceáil agus na faid idirphlánacha a thomhas. Léirigh íomhánna HRTEM de nana-chalóga MXene Nb2CTx agus Nb4C3TX a nádúr tanaí ó thaobh sraithe adamhaigh de (féach Fíor 2a1, a2), mar a tuairiscíodh roimhe seo ag Naguib et al.27 agus Jastrzębska et al.38. I gcás dhá mhonachiseal Nb2CTx agus Nb4C3Tx cóngaracha, chinneamar faid idirshraithe de 0.74 agus 1.54 nm, faoi seach (Fíor 2b1,b2), rud a aontaíonn freisin lenár dtorthaí roimhe seo38. Deimhníodh é seo tuilleadh leis an gclaochlú Fourier tapa inbhéartach (Fíor 2c1, c2) agus an claochlú Fourier tapa (Fíor 2d1, d2) a thaispeánann an t-achar idir na monachisealacha Nb2CTx agus Nb4C3Tx. Taispeánann an íomhá malartú bandaí solais agus dorcha a fhreagraíonn d'adaimh niobium agus carbóin, rud a dhearbhaíonn nádúr srathach na MXenes a ndearnadh staidéar orthu. Tá sé tábhachtach a thabhairt faoi deara nár léirigh na speictrim speictreascópachta X-ghathaithe scaipthe fuinnimh (EDX) a fuarthas do Nb2CTx agus Nb4C3Tx (Fíoracha S2a agus S2b) aon iarsma den chéim MAX bhunaidh, ós rud é nár braitheadh ​​aon bhuaic Al.
Saintréithriú nana-chalóga SL Nb2CTx agus Nb4C3Tx MXene, lena n-áirítear (a) íomháú nana-chalóga 2T radharc taobh le micreascópacht leictreon ardtaifigh (HRTEM) agus a gcomhfhreagras, (b) mód déine, (c) claochlú Fourier tapa inbhéartach (IFFT), (d) claochlú Fourier tapa (FFT), (e) patrúin X-ghathanna Nb-MXenes. Maidir le SL 2T Nb2CTx, léirítear na huimhreacha mar (a1, b1, c1, d1, e1). Maidir le SL 2T Nb4C3Tx, léirítear na huimhreacha mar (a2, b2, c2, d2, e1).
Taispeántar tomhais difreactachta X-ghathaithe de MXéiní SL Nb2CTx agus Nb4C3Tx i bhFíor 2e1 agus e2, faoi seach. Freagraíonn buaicphointí (002) ag 4.31 agus 4.32 do na MXéiní srathacha Nb2CTx agus Nb4C3TX38,39,40,41 faoi seach a thuairiscíodh roimhe seo. Léiríonn na torthaí XRD freisin go bhfuil roinnt struchtúr ML agus céimeanna MAX iarmharacha i láthair, ach den chuid is mó patrúin XRD a bhaineann le SL Nb4C3Tx (Fíor 2e2). D’fhéadfadh láithreacht cáithníní níos lú den chéim MAX an buaic MAX níos láidre a mhíniú i gcomparáid leis na sraitheanna Nb4C3Tx atá cruachta go randamach.
Tá tuilleadh taighde dírithe ar mhicrealgaí glasa a bhaineann leis an speiceas R. subcapitata. Roghnaíomar micrealgaí mar is táirgeoirí tábhachtacha iad a bhfuil baint acu le mór-ghréasáin bhia42. Tá siad ar cheann de na táscairí tocsaineachta is fearr freisin mar gheall ar a gcumas substaintí tocsaineacha a bhaint a iompraítear chuig leibhéil níos airde den slabhra bia43. Ina theannta sin, d’fhéadfadh taighde ar R. subcapitata solas a chaitheamh ar thocsaineacht theagmhasach SL Nb-MXenes do mhiocrorgánaigh fionnuisce coitianta. Chun seo a léiriú, rinne na taighdeoirí hipitéis go bhfuil íogaireacht dhifriúil ag gach miocrób do chomhdhúile tocsaineacha atá i láthair sa timpeallacht. I gcás fhormhór na n-orgánach, ní dhéanann tiúchain ísle substaintí difear dá bhfás, agus is féidir le tiúchain os cionn teorann áirithe iad a chosc nó fiú bás a chur faoi deara. Dá bhrí sin, inár staidéir ar an idirghníomhaíocht dromchla idir micrealgaí agus MXenes agus an téarnamh gaolmhar, shocraíomar tiúchain neamhdhíobhálacha agus tocsaineacha Nb-MXenes a thástáil. Chun seo a dhéanamh, rinneamar tástáil ar thiúchain de 0 (mar thagairt), 0.01, 0.1 agus 10 mg l-1 MXene agus ina theannta sin ionfhabhtaíomar micrealgaí le tiúchain an-ard de MXene (100 mg l-1 MXene), rud a d'fhéadfadh a bheith foircneach agus marfach ... d'aon timpeallacht bhitheolaíoch.
Taispeántar éifeachtaí SL Nb-MXenes ar mhicrealgaí i bhFíor 3, arna sloinneadh mar chéatadán an chur chun cinn fáis (+) nó an chosc (-) a tomhaiseadh le haghaidh samplaí 0 mg l-1. Chun comparáide, rinneadh tástáil ar chéim Nb-MAX agus ML Nb-MXenes freisin agus taispeántar na torthaí in SI (féach Fíor S3). Dheimhnigh na torthaí a fuarthas nach bhfuil aon tocsaineacht ag SL Nb-MXenes beagnach go hiomlán sa raon tiúchan íseal ó 0.01 go 10 mg/l, mar a thaispeántar i bhFíor 3a,b. I gcás Nb2CTx, níor breathnaíodh níos mó ná 5% éiceathocsaineachta sa raon sonraithe.
Spreagadh (+) nó cosc ​​(-) ar fhás micrealgaí i láthair SL (a) Nb2CTx agus (b) Nb4C3TX MXene. Rinneadh anailís ar idirghníomhaíocht MXene-micrealgaí ar feadh 24, 48 agus 72 uair an chloig. Marcáladh sonraí suntasacha (tástáil-t, p < 0.05) le réalta (*). Marcáladh sonraí suntasacha (tástáil-t, p < 0.05) le réalta (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Tá sonraí suntasacha (tástáil-t, p < 0.05) marcáilte le réalta (*).重要数据（t 检验, p <0.05）用星号(*) 标记。重要数据（t 检验, p <0.05）用星号(*) 标记。 Важные данные (t-tástáil, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Tá sonraí tábhachtacha (tástáil-t, p < 0.05) marcáilte le réalta (*).Léiríonn saigheada dearga deireadh a chur le spreagadh coisctheach.
Ar an láimh eile, bhí tiúchain ísle Nb4C3TX beagán níos tocsainí, ach ní níos airde ná 7%. Mar a bhíothas ag súil leis, thugamar faoi deara go raibh tocsaineacht agus cosc ​​níos airde ar fhás micrealgaí ag MXenes ag 100mg L-1. Is suimiúil nár léirigh aon cheann de na hábhair an treocht chéanna agus an spleáchas céanna ama maidir le héifeachtaí atocsaineacha/tocsaineacha i gcomparáid leis na samplaí MAX nó ML (féach SI le haghaidh sonraí). Cé gur shroich tocsaineacht thart ar 15–25% i gcás chéim MAX (féach Fíor S3) agus gur mhéadaigh sí le himeacht ama, breathnaíodh an treocht droim ar ais i gcás SL Nb2CTx agus Nb4C3TX MXene. Laghdaigh an cosc ​​ar fhás micrealgaí le himeacht ama. Shroich sé thart ar 17% tar éis 24 uair an chloig agus thit sé go dtí níos lú ná 5% tar éis 72 uair an chloig (Fíor 3a, b, faoi seach).
Níos tábhachtaí fós, i gcás SL Nb4C3TX, shroich cosc ​​fáis micrealgaí thart ar 27% tar éis 24 uair an chloig, ach tar éis 72 uair an chloig laghdaigh sé go dtí thart ar 1%. Dá bhrí sin, lipéadaíomar an éifeacht a breathnaíodh mar chosc inbhéartach ar spreagadh, agus bhí an éifeacht níos láidre i gcás SL Nb4C3TX MXene. Tugadh faoi deara níos luaithe spreagadh fáis micrealgaí le Nb4C3TX (idirghníomhaíocht ag 10 mg L-1 ar feadh 24 uair an chloig) i gcomparáid le SL Nb2CTx MXene. Léiríodh an éifeacht aisiompaithe cosc-spreagtha go maith freisin i gcuar ráta dúbailte bithmhaise (féach Fíor S4 le haghaidh sonraí). Go dtí seo, níor staidéaraíodh ach éiceatocsaineacht Ti3C2TX MXene ar bhealaí éagsúla. Níl sé tocsaineach do suthanna éisc séabra44 ach tá sé measartha éiceatocsaineach do na plandaí micrealgaí Desmodesmus quadricauda agus Sorghum saccharatum45. I measc samplaí eile d'éifeachtaí sonracha tá tocsaineacht níos airde do línte cealla ailse ná do línte cealla gnáth46,47. D’fhéadfaí glacadh leis go mbeadh tionchar ag na coinníollacha tástála ar na hathruithe i bhfás micrealgaí a breathnaíodh i láthair Nb-MXéiní. Mar shampla, is fearr pH de thart ar 8 i stróma an chlóraplasta chun go n-oibreoidh an einsím RuBisCO go héifeachtúil. Dá bhrí sin, bíonn tionchar diúltach ag athruithe pH ar ráta na fótaisintéise48,49. Mar sin féin, níor thugamar faoi deara athruithe suntasacha ar pH le linn an turgnaimh (féach SI, Fig. S5 le haghaidh sonraí). Go ginearálta, laghdaigh cultúir micrealgaí le Nb-MXéiní pH an tuaslagáin beagán le himeacht ama. Mar sin féin, bhí an laghdú seo cosúil le hathrú ar pH meán íon. Ina theannta sin, bhí an raon éagsúlachtaí a fuarthas cosúil leis an raon a tomhaiseadh do chultúr íon micrealgaí (sampla rialaithe). Dá bhrí sin, táimid den tuairim nach mbíonn tionchar ag athruithe ar pH le himeacht ama ar fhótaisintéis.
Ina theannta sin, tá foircinn dhromchla ag na MXenes sintéisithe (ar a dtugtar Tx). Is iad seo na grúpaí feidhmiúla -O, -F agus -OH den chuid is mó. Mar sin féin, tá baint dhíreach ag ceimic an dromchla leis an modh sintéise. Is eol go bhfuil na grúpaí seo dáilte go randamach ar an dromchla, rud a fhágann go bhfuil sé deacair a n-éifeacht ar airíonna MXene50 a thuar. Is féidir a áiteamh gur féidir le Tx a bheith mar fhórsa catalaíoch le haghaidh ocsaídiú niobium ag solas. Soláthraíonn grúpaí feidhmiúla dromchla ilshuíomhanna ancaire dá bhfótachatalaíoch bunúsacha chun heitrea-chomhlaí51 a fhoirmiú. Mar sin féin, níor sholáthair comhdhéanamh an mheáin fáis fótachatalaíoch éifeachtach (is féidir comhdhéanamh mionsonraithe an mheáin a fháil i dTábla SI S6). Ina theannta sin, tá aon mhodhnú dromchla an-tábhachtach freisin, toisc gur féidir gníomhaíocht bhitheolaíoch MXenes a athrú mar gheall ar iarphróiseáil ciseal, ocsaídiú, modhnú ceimiceach dromchla comhdhúile orgánacha agus neamhorgánacha52,53,54,55,56 nó innealtóireacht luchta dromchla38. Dá bhrí sin, chun tástáil a dhéanamh an bhfuil baint ar bith ag ocsaíd niobium le héagobhsaíocht ábhartha sa mheán, rinneamar staidéir ar an acmhainneacht zeta (ζ) i meán fáis micrealgaí agus in uisce dí-ianaithe (le haghaidh comparáide). Léiríonn ár dtorthaí go bhfuil SL Nb-MXenes sách cobhsaí (féach Fíor S6 in SI le haghaidh torthaí MAX agus ML). Tá acmhainneacht zeta SL MXenes thart ar -10 mV. I gcás SR Nb2CTx, tá luach ζ beagán níos diúltaí ná luach Nb4C3Tx. D’fhéadfadh athrú den sórt sin sa luach ζ a léiriú go n-ionsúnn dromchla nana-chalóga MXene atá luchtaithe go diúltach iain atá luchtaithe go dearfach ón meán cultúir. Is cosúil go dtacaíonn tomhais ama ar an acmhainneacht zeta agus ar sheoltacht Nb-MXenes sa mheán cultúir (féach Fíor S7 agus S8 in SI le haghaidh tuilleadh sonraí) lenár hipitéis.
Mar sin féin, níor léirigh an dá SL Nb-MXene ach athruithe íosta ó náid. Léiríonn sé seo a gcobhsaíocht go soiléir sa mheán fáis micrealgaí. Ina theannta sin, rinneamar measúnú ar cibé an mbeadh tionchar ag láithreacht ár micrealgaí glasa ar chobhsaíocht Nb-MXenes sa mheán. Is féidir torthaí an phoitéinsil zeta agus seoltacht MXenes tar éis idirghníomhú le micrealgaí i meáin chothaitheacha agus i gcultúr le himeacht ama a fháil in SI (Fíoracha S9 agus S10). Is suimiúil an rud é gur thugamar faoi deara gur chosúil go raibh láithreacht micrealgaí ag cobhsú scaipeadh an dá MXene. I gcás Nb2CTx SL, laghdaigh an poitéinsil zeta beagán fiú le himeacht ama go luachanna níos diúltaí (-15.8 i gcoinne -19.1 mV tar éis 72 uair an chloig de ghoir). Mhéadaigh poitéinsil zeta SL Nb4C3TX beagán, ach tar éis 72 uair an chloig léirigh sé cobhsaíocht níos airde fós ná nana-chalóga gan láithreacht micrealgaí (-18.1 i gcoinne -9.1 mV).
Fuaireamar amach freisin go raibh seoltacht níos ísle ag tuaslagáin Nb-MXene nuair a goradh iad i láthair micrealgaí, rud a léiríonn go raibh méid níos ísle ian sa mheán cothaitheach. Is suntasach gur mar gheall ar ocsaídiú dromchla den chuid is mó atá éagobhsaíocht MXenes in uisce. Dá bhrí sin, tá amhras orainn gur ghlan micrealgaí glasa na hocsaídí a foirmíodh ar dhromchla Nb-MXene ar bhealach éigin agus gur chuir siad cosc ​​​​ar a dtarlú (ocsaídiú MXene) fiú. Is féidir é seo a fheiceáil trí staidéar a dhéanamh ar na cineálacha substaintí a ionsúnn micrealgaí.
Cé gur léirigh ár staidéir éiceathocsaineolaíocha gur éirigh le micrealgaí tocsaineacht Nb-MXenes a shárú le himeacht ama agus an cosc ​​neamhghnách ar fhás spreagtha, ba é aidhm ár staidéir ná meicníochtaí gníomhaíochta féideartha a imscrúdú. Nuair a bhíonn orgánaigh ar nós algaí nochta do chomhdhúile nó d’ábhair nach bhfuil cur amach acu ar a n-éiceachórais, féadfaidh siad imoibriú ar bhealaí éagsúla58,59. In éagmais ocsaídí miotail tocsaineacha, is féidir le micrealgaí iad féin a bheathú, rud a ligeann dóibh fás go leanúnach60. Tar éis substaintí tocsaineacha a ionghabháil, féadfar meicníochtaí cosanta a ghníomhachtú, amhail cruth nó foirm a athrú. Ní mór an fhéidearthacht ionsúcháin a mheas freisin58,59. Is suntasach gur táscaire soiléir ar thocsaineacht an chomhdhúil tástála aon chomhartha de mheicníocht chosanta. Dá bhrí sin, inár gcuid oibre breise, rinneamar imscrúdú ar an idirghníomhaíocht dromchla féideartha idir nana-chalóga SL Nb-MXene agus micrealgaí trí SEM agus an ionsú féideartha de MXene bunaithe ar Nb trí speictreascópacht fluaraiseachta X-gha (XRF). Tabhair faoi deara nár rinneadh anailísí SEM agus XRF ach ag an tiúchan is airde de MXene chun aghaidh a thabhairt ar shaincheisteanna tocsaineachta gníomhaíochta.
Taispeántar torthaí an SEM i bhFíor 4. Léirigh cealla micrealgaí neamhchóireáilte (féach Fíor 4a, sampla tagartha) moirfeolaíocht tipiciúil R. subcapitata agus cruth cealla cosúil le croissant go soiléir. Breathnaíonn na cealla cothrom agus beagán neamh-eagraithe. Bhí roinnt cealla micrealgaí ag forluí agus ag fite fuaite lena chéile, ach is dócha gurbh é an próiseas ullmhúcháin sampla ba chúis leis seo. Go ginearálta, bhí dromchla réidh ag cealla micrealgaí íon agus níor léirigh siad aon athruithe moirfeolaíocha.
Íomhánna SEM a thaispeánann idirghníomhaíocht dhromchla idir micrealgaí glasa agus nana-bhileoga MXene tar éis 72 uair an chloig d'idirghníomhaíocht ag tiúchan foircneach (100 mg L-1). (a) Micrealgaí glasa neamhchóireáilte tar éis idirghníomhaíocht le SL (b) Nb2CTx agus (c) Nb4C3TX MXenes. Tabhair faoi deara go bhfuil na nana-chalóga Nb-MXene marcáilte le saigheada dearga. Chun comparáide, cuirtear grianghraif ó mhicreascóp optúil leis freisin.
I gcodarsnacht leis sin, rinneadh damáiste do chealla micrealgaí a raibh nana-chalóga SL Nb-MXene ionsúite acu (féach Fíor 4b, c, saigheada dearga). I gcás Nb2CTx MXene (Fíor 4b), is gnách go bhfásann micrealgaí le nanoscálaí dháthoiseacha ceangailte, rud a fhéadann a moirfeolaíocht a athrú. Is suntasach gur thugamar faoi deara na hathruithe seo faoi mhicreascópacht solais freisin (féach Fíor SI S11 le haghaidh sonraí). Tá bunús inchreidte ag an aistriú moirfeolaíoch seo i bhfiseolaíocht na micrealgaí agus a gcumas iad féin a chosaint trí mhoirfeolaíocht na gceall a athrú, amhail méid na gceall a mhéadú61. Dá bhrí sin, tá sé tábhachtach líon na gcealla micrealgaí atá i dteagmháil le Nb-MXenes i ndáiríre a sheiceáil. Léirigh staidéir SEM gur nochtadh thart ar 52% de chealla micrealgaí do Nb-MXenes, agus gur sheachain 48% de na cealla micrealgaí seo teagmháil. I gcás SL Nb4C3Tx MXene, déanann micrealgaí iarracht teagmháil le MXene a sheachaint, rud a fhágann go n-áitíonn siad agus go bhfásann siad ó nanoscálaí dháthoiseacha (Fíor 4c). Mar sin féin, ní bhfuaireamar faoi deara treá nanoscálacha isteach i gcealla micrealgaí agus a ndamáiste.
Is freagartha ama-spleách é féinchaomhnú freisin ar bhac ar fhótaisintéis mar gheall ar ionsú cáithníní ar dhromchla na cille agus an éifeacht scáthaithe mar a thugtar air62. Is léir go gcuireann gach réad (mar shampla, nana-chalóga Nb-MXene) atá idir na micrealgaí agus an fhoinse solais teorainn leis an méid solais a ionsúnn na clóraplastaí. Mar sin féin, níl aon amhras orainn go bhfuil tionchar suntasach aige seo ar na torthaí a fhaightear. Mar a léirítear lenár mbreathnuithe micreascópacha, ní raibh na nana-chalóga 2T fillte go hiomlán ná greamaithe go hiomlán le dromchla na micrealgaí, fiú nuair a bhí na cealla micrealgaí i dteagmháil le Nb-MXenes. Ina áit sin, bhí na nana-chalóga dírithe ar chealla micrealgaí gan a ndromchla a chlúdach. Ní féidir le sraith den sórt sin de nana-chalóga/micrealgaí teorainn shuntasach a chur leis an méid solais a ionsúnn cealla micrealgaí. Thairis sin, tá feabhas léirithe ag roinnt staidéar fiú ar ionsú solais ag orgánaigh fhótaisintéiseacha i láthair nana-ábhar dháthoiseacha63,64,65,66.
Ós rud é nach raibh íomhánna SEM in ann glacadh niobium ag cealla micrealgaí a dhearbhú go díreach, dhírigh ár staidéar breise ar anailís fluaraiseachta X-ghathaithe (XRF) agus speictreascópacht fhótaileictreon X-ghathaithe (XPS) chun an cheist seo a shoiléiriú. Dá bhrí sin, rinneamar comparáid idir déine bhuaicphointí Nb na samplaí micrealgaí tagartha nár idirghníomhaigh le MXenes, nana-chalóga MXene a scar ó dhromchla cealla micrealgaí, agus cealla micrealgaí tar éis na MXenes ceangailte a bhaint. Is fiú a thabhairt faoi deara, mura bhfuil aon iontógáil Nb ann, gur cheart go mbeadh luach Nb a fhaigheann na cealla micrealgaí nialas tar éis na nanoscálaí ceangailte a bhaint. Dá bhrí sin, má tharlaíonn iontógáil Nb, ba cheart go léireodh torthaí XRF agus XPS araon buaic Nb soiléir.
I gcás speictrim XRF, léirigh samplaí micrealgaí buaicphointí Nb do SL Nb2CTx agus Nb4C3Tx MXene tar éis idirghníomhaíochta le SL Nb2CTx agus Nb4C3Tx MXene (féach Fíor 5a, tabhair faoi deara freisin go bhfuil na torthaí do MAX agus ML MXenes léirithe i SI, Fíor S12–C17). Is suimiúil go bhfuil déine bhuaic an Nb mar an gcéanna sa dá chás (barraí dearga i bhFíor 5a). Léirigh sé seo nach raibh na algaí in ann níos mó Nb a ionsú, agus baineadh amach an cumas uasta le haghaidh carnadh Nb sna cealla, cé gur ceanglaíodh dhá oiread níos mó Nb4C3Tx MXene leis na cealla micrealgaí (barraí gorma i bhFíor 5a). Is suntasach go mbraitheann cumas na micrealgaí miotail a ionsú ar thiúchan ocsaídí miotail sa timpeallacht67,68. Fuair ​​Shamshada et al.67 go laghdaíonn cumas ionsúcháin algaí fionnuisce de réir mar a mhéadaíonn pH. Thug Raize et al.68 faoi deara go raibh cumas feamainne miotail a ionsú thart ar 25% níos airde i gcás Pb2+ ná i gcás Ni2+.
(a) Torthaí XRF ar iontógáil bonn-Nb ag cealla micrealgaí glasa a goradh ag tiúchan foircneach de SL Nb-MXenes (100 mg L-1) ar feadh 72 uair an chloig. Léiríonn na torthaí láithreacht α i gcealla micrealgaí íona (sampla rialaithe, colúin liatha), nana-chalóga 2T arna n-aonrú ó chealla micrealgaí dromchla (colúin ghorma), agus cealla micrealgaí tar éis nana-chalóga 2T a dheighilt ón dromchla (colúin dhearg). Méid an Nb eilimintigh, (b) céatadán de chomhdhéanamh ceimiceach comhpháirteanna orgánacha micrealgaí (C=O agus CHx/C–O) agus ocsaídí Nb atá i láthair i gcealla micrealgaí tar éis goradh le SL Nb-MXenes, (c–e) Feistiú bhuaic chomhdhéanamh speictrim XPS SL Nb2CTx agus (fh) SL Nb4C3Tx MXene a inmheánaíodh ag cealla micrealgaí.
Dá bhrí sin, bhíomar ag súil go bhféadfadh cealla algaí Nb a ionsú i bhfoirm ocsaídí. Chun seo a thástáil, rinneamar staidéir XPS ar MXéiní Nb2CTx agus Nb4C3TX agus ar chealla algaí. Taispeántar torthaí idirghníomhaíocht micrealgaí le Nb-MXéiní agus MXéiní a leithlisíodh ó chealla algaí i bhFíor 5b. Mar a bhíothas ag súil leis, bhraith muid buaicphointí Nb 3d sna samplaí micrealgaí tar éis MXéin a bhaint de dhromchla na micrealgaí. Ríomhadh cinneadh cainníochtúil ocsaídí C=O, CHx/CO, agus Nb bunaithe ar na speictrim Nb 3d, O 1s, agus C 1s a fuarthas le Nb2CTx SL (Fíor 5c–e) agus Nb4C3Tx SL (Fíor 5c–e). ) a fuarthas ó mhicrealgaí goraithe. Fíor 5f–h) MXéiní. Taispeánann Tábla S1-3 sonraí na bparaiméadar buaice agus an cheimic fhoriomlán a eascraíonn as an fheistiú. Is suntasach an rud é go bhfreagraíonn réigiúin Nb 3d de Nb2CTx SL agus Nb4C3Tx SL (Fíor 5c, f) do chomhpháirt amháin Nb2O5. Anseo, ní bhfuaireamar aon bhuaicphointí a bhaineann le MXene sna speictrim, rud a léiríonn nach n-ionsúnn cealla micrealgaí ach foirm ocsaíde Nb. Ina theannta sin, rinneamar meastachán garbh ar speictream C1s leis na comhpháirteanna C–C, CHx/C–O, C=O, agus –COOH. Shannamar na buaicphointí CHx/C–O agus C=O don ranníocaíocht orgánach ó chealla micrealgaí. Is ionann na comhpháirteanna orgánacha seo agus 36% agus 41% de na buaicphointí C1s i Nb2CTx SL agus Nb4C3TX SL, faoi seach. Ansin, d'oiriúnaíomar speictrim O1s SL Nb2CTx agus SL Nb4C3TX le Nb2O5, comhpháirteanna orgánacha micrealgaí (CHx/CO), agus uisce ionsúite dromchla.
Ar deireadh, léirigh torthaí XPS go soiléir foirm Nb, ní hamháin a láithreacht. De réir shuíomh an chomhartha Nb 3d agus torthaí an díchonbhlóide, dearbhaímid nach nglactar le Nb ach i bhfoirm ocsaídí agus ní iain ná MXene féin. Ina theannta sin, léirigh torthaí XPS go bhfuil cumas níos fearr ag cealla micrealgaí ocsaídí Nb a ionsú ó SL Nb2CTx i gcomparáid le SL Nb4C3TX MXene.
Cé go bhfuil ár dtorthaí iontógála Nb suntasach agus go gceadaíonn siad dúinn díghrádú MXene a aithint, níl aon mhodh ar fáil chun athruithe moirfeolaíocha gaolmhara i nanachalóga 2T a rianú. Dá bhrí sin, shocraíomar freisin modh oiriúnach a fhorbairt ar féidir leis freagairt go díreach d'aon athruithe a tharlaíonn i nanachalóga 2T Nb-MXene agus i gcealla micrealgaí. Tá sé tábhachtach a thabhairt faoi deara go nglacaimid leis, má théann na speicis idirghníomhacha faoi aon chlaochlú, dianscaoileadh nó dí-roinnt, gur cheart go léireofaí é seo go tapa mar athruithe i bparaiméadair chruth, amhail trastomhas an limistéir chiorclaigh choibhéisigh, cruinneas, leithead Feret, nó fad Feret. Ós rud é go bhfuil na paraiméadair seo oiriúnach chun cáithníní fadaithe nó nanachalóga dháthoiseacha a chur síos, tabharfaidh a rianú trí anailís dhinimiciúil ar chruth na gcáithníní faisnéis luachmhar dúinn faoi chlaochlú moirfeolaíoch nanachalóga SL Nb-MXene le linn laghdaithe.
Taispeántar na torthaí a fuarthas i bhFíor 6. Chun comparáide, rinneamar tástáil freisin ar an gcéim MAX bhunaidh agus ar ML-MXenes (féach Fíoracha SI S18 agus S19). Léirigh anailís dhinimiciúil ar chruth na gcáithníní gur athraigh gach paraiméadar cruth de dhá SL Nb-MXene go suntasach tar éis idirghníomhaíochta le micrealgaí. Mar a thaispeántar leis an bparaiméadar trastomhas achar ciorclach coibhéiseach (Fíor 6a, b), léiríonn an déine buaice laghdaithe den chodán de nana-chalóga móra go mbíonn claonadh acu meath ina mblúirí níos lú. Ar fhior 6c, taispeánann d laghdú sna buaicphointí a bhaineann le méid trasnach na gcalóga (fada na nana-chalóga), rud a léiríonn claochlú na nana-chalóga 2T i gcruth níos cosúla le cáithníní. Léiríonn Fíor 6e-h leithead agus fad an Feret, faoi seach. Is paraiméadair chomhlántacha iad leithead agus fad an feret agus dá bhrí sin ba chóir iad a mheas le chéile. Tar éis goradh na nana-chalóga 2T Nb-MXene i láthair micrealgaí, aistríodh a mbuaicphointí comhghaolmhara Feret agus laghdaigh a n-déine. Bunaithe ar na torthaí seo i gcomhar le moirfeolaíocht, XRF agus XPS, tháinig muid ar an gconclúid go bhfuil baint láidir ag na hathruithe a breathnaíodh le hocsaídiú de réir mar a éiríonn MXenes ocsaídithe níos rocach agus a bhriseann síos ina mblúirí agus ina gcáithníní ocsaíde sféarúla69,70.
Anailís ar chlaochlú MXene tar éis idirghníomhaíochta le micrealgaí glasa. Cuireann anailís dhinimiciúil ar chruth na gcáithníní paraiméadair ar nós (a, b) trastomhas an limistéir chiorclaigh choibhéisigh, (c, d) cruinneas, (e, f) leithead an fhéiréid agus (g, h) fad an fhéiréid san áireamh. Chun na críche seo, rinneadh anailís ar dhá shampla tagartha micrealgaí mar aon le MXéiní príomhúla SL Nb2CTx agus SL Nb4C3Tx, MXéiní SL Nb2CTx agus SL Nb4C3Tx, micrealgaí díghrádaithe, agus micrealgaí cóireáilte SL Nb2CTx agus SL Nb4C3Tx MXéiní. Taispeánann na saigheada dearga aistrithe paraiméadair chruth na nana-chalóga dháthoiseacha a ndearnadh staidéar orthu.
Ós rud é go bhfuil anailís ar pharaiméadair chruth an-iontaofa, is féidir léi athruithe moirfeolaíocha a nochtadh i gcealla micrealgaí freisin. Dá bhrí sin, rinneamar anailís ar an trastomhas coibhéiseach den achar ciorclach, ar an gcruinneacht, agus ar leithead/fad Feret i gcealla micrealgaí íon agus i gcealla tar éis idirghníomhaíochta le nana-chalóga Nb 2T. Ar fhigiúr 6a–h, taispeántar athruithe i bparaiméadair chruth na gcealla algaí, mar is léir ó laghdú ar dhéine buaice agus aistriú uasmhéideanna i dtreo luachanna níos airde. Go háirithe, léirigh paraiméadair chruinne cille laghdú ar chealla fadaithe agus méadú ar chealla sféarúla (Fígiúr 6a, b). Ina theannta sin, mhéadaigh leithead cille Feret roinnt micriméadar tar éis idirghníomhaíochta le SL Nb2CTx MXene (Fígiúr 6e) i gcomparáid le SL Nb4C3TX MXene (Fígiúr 6f). Tá amhras orainn gur mar gheall ar an iontógáil láidir d'ocsaídí Nb ag micrealgaí nuair a idirghníomhaíonn siad le Nb2CTx SR atá sé seo. Is féidir le ceangaltán níos lú docht calóga Nb lena ndromchla fás cille a bheith mar thoradh air le héifeacht scáthaithe íosta.
Comhlánaíonn ár mbreathnuithe ar athruithe i bparaiméadair chruth agus mhéid micrealgaí staidéir eile. Is féidir le micrealgaí glasa a moirfeolaíocht a athrú mar fhreagairt ar strus comhshaoil ​​trí mhéid, cruth nó meitibileacht na gceall a athrú61. Mar shampla, éascaíonn athrú ar mhéid na gceall ionsú cothaithigh71. Taispeánann cealla algaí níos lú glacadh cothaithigh níos ísle agus ráta fáis lagaithe. Os a choinne sin, bíonn claonadh ag cealla níos mó níos mó cothaithigh a ithe, a thaisctear ansin go hincheallach72,73. Fuair ​​Machado agus Soares amach gur féidir leis an bhfungaicíd triclosan méid na gceall a mhéadú. Fuair ​​siad athruithe móra i gcruth na n-algaí freisin74. Ina theannta sin, nocht Yin et al.9 athruithe moirfeolaíocha in algaí tar éis nochtadh do nana-chomhchodanna ocsaíd graiféine laghdaithe. Dá bhrí sin, is léir gurb é láithreacht MXene is cúis leis na paraiméadair athraithe méide/cruth na micrealgaí. Ós rud é go léiríonn an t-athrú seo i méid agus i gcruth athruithe ar ghlacadh cothaithigh, creidimid gur féidir le hanailís ar pharaiméadair mhéide agus crutha le himeacht ama glacadh ocsaíd niobium ag micrealgaí i láthair Nb-MXenes a léiriú.
Thairis sin, is féidir MXenes a ocsaídiú i láthair algaí. Thug Dalai et al.75 faoi deara nach raibh moirfeolaíocht na n-algaí glasa a nochtadh do nano-TiO2 agus Al2O376 aonfhoirmeach. Cé go bhfuil ár mbreathnuithe cosúil leis an staidéar seo, níl sé ábhartha ach do staidéar éifeachtaí bithleighis i dtéarmaí táirgí díghrádaithe MXene i láthair nana-chalóga 2T agus ní nana-cháithníní. Ós rud é gur féidir le MXenes díghrádú ina n-ocsaídí miotail,31,32,77,78 is réasúnta glacadh leis gur féidir lenár nana-chalóga Nb ocsaídí Nb a fhoirmiú freisin tar éis idirghníomhú le cealla micrealgaí.
Chun laghdú na nana-chalóga 2T-Nb a mhíniú trí mheicníocht dianscaoilte bunaithe ar an bpróiseas ocsaídiúcháin, rinneamar staidéir ag baint úsáide as micreascópacht leictreon tarchurtha ardtaifigh (HRTEM) (Fíor 7a, b) agus speictreascópacht fhótaileictreon X-gha (XPS) (Fíor 7). 7c-i agus táblaí S4-5). Tá an dá chur chuige oiriúnach chun ocsaídiú ábhar 2T a staidéar agus comhlánaíonn siad a chéile. Tá HRTEM in ann díghrádú struchtúr sraitheach dháthoiseach agus cuma nana-cháithníní ocsaíd miotail ina dhiaidh sin a anailísiú, agus tá XPS íogair do naisc dhromchla. Chun na críche seo, rinneamar tástáil ar nana-chalóga 2T Nb-MXene a eastósctar ó scaipeadh cealla micrealgaí, is é sin, a gcruth tar éis idirghníomhaíochta le cealla micrealgaí (féach Fíor 7).
Íomhánna HRTEM a thaispeánann moirfeolaíocht (a) SL Nb2CTx agus (b) SL Nb4C3Tx MXéiní ocsaídithe, torthaí anailíse XPS a thaispeánann (c) comhdhéanamh táirgí ocsaíde tar éis laghdaithe, (d–f) meaitseáil bhuaic comhpháirteanna speictream XPS SL Nb2CTx agus (g–i) Nb4C3Tx SL deisithe le micrealgaí glasa.
Dheimhnigh staidéir HRTEM ocsaídiú dhá chineál nana-chalóga Nb-MXene. Cé gur choinnigh na nana-chalóga a moirfeolaíocht dhéthoiseach go pointe áirithe, mar thoradh ar ocsaídiú, bhí go leor nana-cháithníní le feiceáil ag clúdach dhromchla na nana-chalóga MXene (féach Fíor 7a,b). Léirigh anailís XPS ar chomharthaí c Nb 3d agus O 1s gur foirmíodh ocsaídí Nb sa dá chás. Mar a thaispeántar i bhFíor 7c, tá comharthaí Nb 3d ag 2D MXene Nb2CTx agus Nb4C3TX a léiríonn láithreacht ocsaídí NbO agus Nb2O5, agus léiríonn comharthaí O 1s líon na mbannaí O–Nb a bhaineann le feidhmiúlacht dhromchla na nana-chalóga 2D. Thugamar faoi deara go bhfuil an ranníocaíocht ocsaíd Nb ceannasach i gcomparáid le Nb-C agus Nb3+-O.
Ar fhigiúr 7g–i, taispeánann Fíoracha 7g–i speictrim XPS Nb3d, C1s, agus O1s SL Nb2CTx (féach Fíoracha 7d–f) agus SL Nb4C3TX MXene arna leithlisiú ó chealla micrealgaí. Tá sonraí faoi pharaiméadair bhuaic Nb-MXenes ar fáil i dTáblaí S4–5, faoi seach. Rinneamar anailís ar chomhdhéanamh Nb3d ar dtús. I gcodarsnacht leis an Nb a ionsúitear ag cealla micrealgaí, i MXene arna leithlisiú ó chealla micrealgaí, seachas Nb2O5, fuarthas comhpháirteanna eile. Sa Nb2CTx SL, thugamar faoi deara ranníocaíocht Nb3+-O i méid 15%, agus bhí Nb2O5 (85%) i réim sa chuid eile den speictream Nb3d. Ina theannta sin, tá comhpháirteanna Nb-C (9%) agus Nb2O5 (91%) sa sampla SL Nb4C3TX. Anseo, tagann Nb-C ó dhá shraith adamhacha istigh de charbaíd miotail i Nb4C3Tx SR. Ansin, mapálaimid na speictrim C 1s go ceithre chomhpháirt éagsúla, mar a rinneamar sna samplaí inmheánaithe. Mar a bhíothas ag súil leis, is é carbón grafíteach is mó atá i speictream C 1s, agus ina dhiaidh sin ranníocaíochtaí ó cháithníní orgánacha (CHx/CO agus C=O) ó chealla micrealgaí. Ina theannta sin, sa speictream O 1s, bhreathnaíomar ar ranníocaíocht foirmeacha orgánacha de chealla micrealgaí, ocsaíd niobium, agus uisce ionsúite.
Ina theannta sin, rinneamar imscrúdú ar cibé an bhfuil scoilteadh Nb-MXenes bainteach le láithreacht speiceas ocsaigine imoibríoch (ROS) sa mheán cothaitheach agus/nó i gcealla micrealgaí. Chun na críche seo, rinneamar measúnú ar leibhéil an ocsaigine singil (1O2) sa mheán cultúir agus ar ghlútatión intraceallach, tiól a fheidhmíonn mar fhrithocsaídeoir i micrealgaí. Taispeántar na torthaí i SI (Fíoracha S20 agus S21). Saintréithíodh cultúir le SL Nb2CTx agus Nb4C3TX MXenes le méid laghdaithe 1O2 (féach Fíor S20). I gcás SL Nb2CTx, laghdaítear MXene 1O2 go dtí thart ar 83%. I gcás cultúir micrealgaí ag baint úsáide as SL, laghdaigh Nb4C3TX 1O2 níos mó fós, go 73%. Is suimiúil é, léirigh athruithe i 1O2 an treocht chéanna leis an éifeacht choscach-spreagthach a breathnaíodh roimhe seo (féach Fíor 3). Is féidir a áiteamh gur féidir le goradh i solas geal fóta-ocsaídiú a athrú. Mar sin féin, léirigh torthaí na hanailíse rialaithe leibhéil beagnach tairiseach de 1O2 le linn an turgnaimh (Fíor S22). I gcás leibhéil ROS incheallacha, thugamar faoi deara an treocht anuas chéanna freisin (féach Fíor S21). Ar dtús, sháraigh leibhéil ROS i gcealla micrealgaí a saothraíodh i láthair SLanna Nb2CTx agus Nb4C3Tx na leibhéil a fuarthas i gcultúir íona micrealgaí. Sa deireadh, áfach, is cosúil gur oiriúnaigh na micrealgaí do láithreacht an dá Nb-MXene, de réir mar a laghdaigh leibhéil ROS go 85% agus 91% de na leibhéil a tomhaiseadh i gcultúir íona micrealgaí a ionaclaíodh le SL Nb2CTx agus Nb4C3TX, faoi seach. D’fhéadfadh sé seo a léiriú go mbraitheann micrealgaí níos compordaí le himeacht ama i láthair Nb-MXene ná i meán cothaitheach amháin.
Is grúpa éagsúil orgánach fótaisintéiseach iad micrealgaí. Le linn fótaisintéise, déanann siad dé-ocsaíd charbóin atmaisféarach (CO2) a thiontú ina charbón orgánach. Is iad glúcós agus ocsaigin táirgí na fótaisintéise79. Tá amhras orainn go bhfuil ról ríthábhachtach ag an ocsaigin a chruthaítear ar an mbealach seo in ocsaídiú Nb-MXenes. Míniú amháin a d'fhéadfadh a bheith air seo ná go bhfoirmítear an paraiméadar aeraithe difreálach ag brúnna páirteacha ísle agus arda ocsaigine lasmuigh agus istigh de na nana-chalóga Nb-MXene. Ciallaíonn sé seo, cibé áit a bhfuil limistéir de bhrúnna páirteacha éagsúla ocsaigine, gurb é an limistéar leis an leibhéal is ísle a fhoirmeoidh an anóid 80, 81, 82. Anseo, cuireann na micrealgaí le cruthú cealla aeraithe go difriúil ar dhromchla na gcalóga MXene, a tháirgeann ocsaigin mar gheall ar a n-airíonna fótaisintéiseacha. Mar thoradh air sin, foirmítear táirgí bithchreimthe (ocsaídí niobium sa chás seo). Gné eile is ea gur féidir le micrealgaí aigéid orgánacha a tháirgeadh a scaoiltear isteach san uisce83,84. Dá bhrí sin, foirmítear timpeallacht ionsaitheach, rud a athraíonn na Nb-MXenes. Ina theannta sin, is féidir le micrealgaí pH an chomhshaoil ​​a athrú go alcaileach mar gheall ar ionsú dé-ocsaíd charbóin, rud a d’fhéadfadh creimeadh a chur faoi deara freisin79.
Níos tábhachtaí fós, tá an fhótathréimhse dorcha/soilse a úsáideadh inár staidéar ríthábhachtach chun na torthaí a fuarthas a thuiscint. Déantar cur síos mionsonraithe ar an ngné seo i Djemai-Zoghlache et al. 85 D'úsáid siad fótathréimhse 12/12 uair an chloig d'aon ghnó chun bithchreimeadh a bhaineann le bith-thruailliú ag an micrealgaí dearg Porphyridium purpureum a léiriú. Taispeánann siad go bhfuil baint ag an bhfótathréimhse le héabhlóid an phoitéinsil gan bithchreimeadh, rud a léirítear mar luaineachtaí bréagthréimhsiúla timpeall 24:00. Dheimhnigh Dowling et al. na breathnóireachtaí seo. 86 Léirigh siad bithscannáin fhótaisintéiseacha de chianobacteria Anabaena. Cruthaítear ocsaigin thuaslagtha faoi ghníomhaíocht an tsolais, rud a bhaineann le hathrú nó luaineachtaí san phoitéinseal bithchreimthe saor. Cuirtear béim ar thábhacht na fótathréimhse leis an bhfíric go méadaíonn an poitéinseal saor le haghaidh bithchreimthe sa chéim solais agus go laghdaíonn sé sa chéim dorcha. Tá sé seo mar gheall ar an ocsaigin a tháirgeann micrealgaí fótaisintéiseacha, rud a mbíonn tionchar aige ar an imoibriú catóideach tríd an mbrú páirteach a ghintear in aice leis na leictreoidí87.
Ina theannta sin, rinneadh speictreascópacht infridhearg claochlaithe Fourier (FTIR) chun a fháil amach an raibh aon athruithe tagtha ar chomhdhéanamh ceimiceach cealla micrealgaí tar éis idirghníomhaíochta le Nb-MXéiní. Tá na torthaí seo casta agus cuirimid i láthair iad i SI (Fíoracha S23-S25, lena n-áirítear torthaí chéim MAX agus ML MXéiní). Go hachomair, soláthraíonn na speictrim tagartha a fuarthas de mhicrealgaí faisnéis thábhachtach dúinn faoi shaintréithe ceimiceacha na n-orgánach seo. Tá na creathadh is dóichí seo suite ag minicíochtaí 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1.11 (C–H) agus 3280 cm–1 (O–H). I gcás SL Nb-MXéiní, fuaireamar síniú síneadh banna-CH atá comhsheasmhach lenár staidéar roimhe seo38. Mar sin féin, thugamar faoi deara gur imigh roinnt buaicphointí breise a bhain le naisc C=C agus CH. Léiríonn sé seo go bhféadfadh athruithe beaga teacht ar chomhdhéanamh ceimiceach micrealgaí mar gheall ar idirghníomhaíocht le SL Nb-MXenes.
Agus athruithe féideartha i mbithcheimic na micrealgaí á mbreithniú, ní mór athmhachnamh a dhéanamh ar charnadh ocsaídí neamhorgánacha, amhail ocsaíd niobium59. Tá baint aige le glacadh miotail ag dromchla na cille, a n-iompar isteach sa chíteaplasma, a gcaidreamh le grúpaí carbocsaile intracellular, agus a gcarnadh i bpolaifosfósóim micrealgaí20,88,89,90. Ina theannta sin, coinnítear an gaol idir micrealgaí agus miotail ag grúpaí feidhmiúla cealla. Ar an gcúis seo, braitheann ionsú ar cheimic dhromchla micrealgaí freisin, atá casta go leor9,91. Go ginearálta, mar a bhíothas ag súil leis, d'athraigh comhdhéanamh ceimiceach na micrealgaí glasa beagán mar gheall ar ionsú ocsaíd Nb.
Is suimiúil an rud é, gurbh fhéidir an cosc ​​tosaigh a breathnaíodh ar mhicrealgaí a aisiompú le himeacht ama. Mar a thugamar faoi deara, sháraigh na micrealgaí an t-athrú comhshaoil ​​tosaigh agus ar deireadh d’fhill siad ar rátaí fáis gnáth agus mhéadaigh siad fiú. Léiríonn staidéir ar an acmhainneacht zeta ardchobhsaíocht nuair a tugadh isteach i meáin chothaitheacha é. Dá bhrí sin, coinníodh an t-idirghníomhaíocht dromchla idir cealla micrealgaí agus nana-chalóga Nb-MXene ar fud na dturgnaimh laghdaithe. Inár n-anailís bhreise, déanaimid achoimre ar na príomh-mheicníochtaí gníomhaíochta atá mar bhunús leis an iompar suntasach seo de mhicrealgaí.
Léirigh breathnuithe SEM go mbíonn claonadh ag micrealgaí ceangal le Nb-MXenes. Ag baint úsáide as anailís íomhá dinimiciúil, dearbhaímid go mbíonn claochlú nana-chalóga déthoiseacha Nb-MXene ina gcáithníní níos sféarúla mar thoradh ar an éifeacht seo, rud a léiríonn go bhfuil dianscaoileadh nana-chalóga bainteach lena n-ocsaídiú. Chun ár hipitéis a thástáil, rinneamar sraith staidéar ábhartha agus bithcheimiceach. Tar éis tástála, ocsaídigh agus dhíghrádaigh na nana-chalóga de réir a chéile i dtáirgí NbO agus Nb2O5, nach raibh ina bhagairt do mhicrealgaí glasa. Ag baint úsáide as breathnóireacht FTIR, ní bhfuaireamar aon athruithe suntasacha i gcomhdhéanamh ceimiceach na micrealgaí a goradh i láthair nana-chalóga 2T Nb-MXene. Agus an fhéidearthacht ann go n-ionsóidh micrealgaí ocsaíd niobium san áireamh, rinneamar anailís fluaraiseachta X-gha. Léiríonn na torthaí seo go soiléir go beathaíonn na micrealgaí a ndearnadh staidéar orthu ocsaídí niobium (NbO agus Nb2O5), nach bhfuil tocsaineach do na micrealgaí a ndearnadh staidéar orthu.