Tapadh leibh airson tadhal air Nature.com. Tha thu a’ cleachdadh dreach brabhsair le taic CSS cuibhrichte. Airson an eòlas as fheàrr, tha sinn a’ moladh gun cleachd thu brabhsair ùraichte (no gun cuir thu dheth Modh Co-chòrdalachd ann an Internet Explorer). Aig an aon àm, gus dèanamh cinnteach à taic leantainneach, nì sinn an làrach-lìn gun stoidhlichean agus JavaScript.
A’ taisbeanadh carousel de thrì sleamhnagan aig an aon àm. Cleachd na putanan Roimhe agus Air adhart gus gluasad tro thrì sleamhnagan aig an aon àm, no cleachd na putanan sleamhnag aig a’ cheann thall gus gluasad tro thrì sleamhnagan aig an aon àm.
Faodaidh leasachadh luath nanoteicneòlais agus a bhith ga thoirt a-steach do thagraidhean làitheil bagairt a dhèanamh air an àrainneachd. Ged a tha dòighean uaine airson truailleadh organach a mhilleadh air an deagh stèidheachadh, tha faighinn air ais truailleadh criostalach neo-organach na adhbhar dragh mòr air sgàth cho cugallach ‘s a tha iad do chruth-atharrachadh bith-eòlasach agus dìth tuigse air eadar-obrachadh uachdar stuthan le feadhainn bith-eòlasach. An seo, bidh sinn a’ cleachdadh modail MXenes neo-organach 2D stèidhichte air Nb còmhla ri dòigh shìmplidh airson mion-sgrùdadh paramadair cumadh gus lorg a dhèanamh air meacanaig bith-leighis nanostùthan ceirmeag 2D leis a’ mhicro-algach uaine Raphidocelis subcapitata. Fhuair sinn a-mach gu bheil micro-algaich a’ milleadh MXenes stèidhichte air Nb air sgàth eadar-obrachaidhean fiosaigeach-cheimigeach co-cheangailte ris an uachdar. An toiseach, chaidh nanoflakes MXene aon-fhilleadh agus ioma-fhilleadh a cheangal ri uachdar micro-algaich, a lughdaich fàs algaich beagan. Ach, às deidh eadar-obrachadh fada leis an uachdar, rinn micro-algaich oxidachadh air nanoflakes MXene agus loisg iad iad nas fhaide gu NbO agus Nb2O5. Leis nach eil na h-ocsaidean seo puinnseanta do cheallan meanbh-algaich, bidh iad ag ithe nanoparticles Nb ocsaid tro dhòigh-gabhail a bhios ag ath-nuadhachadh nam meanbh-algaich tuilleadh às dèidh 72 uair de làimhseachadh uisge. Tha buaidhean beathachaidh co-cheangailte ri gabhail a-steach cuideachd air an nochdadh anns an àrdachadh ann am meud cealla, an cumadh rèidh agus an atharrachadh ann an ìre fàis. Stèidhichte air na co-dhùnaidhean sin, tha sinn a’ tighinn chun cho-dhùnaidh nach eil ach glè bheag de bhuaidhean àrainneachdail mar thoradh air làthaireachd geàrr-ùine is fad-ùine MXenes stèidhichte air Nb ann an eag-shiostaman uisge fìor-uisge. Is fhiach a thoirt fa-near, le bhith a’ cleachdadh nano-stuthan dà-thaobhach mar shiostaman modail, gu bheil sinn a’ sealltainn gum faod sinn cruth-atharrachadh cumadh a leantainn eadhon ann an stuthan mìn. Gu h-iomlan, tha an sgrùdadh seo a’ freagairt ceist bhunasach chudromach mu phròiseasan co-cheangailte ri eadar-obrachadh uachdar a tha a’ stiùireadh dòigh-obrach bith-leighis nano-stuthan 2D agus a’ toirt seachad bunait airson tuilleadh sgrùdaidhean geàrr-ùine is fad-ùine air buaidh àrainneachdail nano-stuthan criostalach neo-organach.
Tha mòran ùidh air a bhith ann an nano-stuthan bho chaidh an lorg, agus tha diofar nano-theicneòlasan air a dhol a-steach do ìre ùrachaidh o chionn ghoirid1. Gu mì-fhortanach, faodaidh amalachadh nano-stuthan ann an tagraidhean làitheil leantainn gu sgaoilidhean gun fhiosta air sgàth faighinn cuidhteas ceàrr, làimhseachadh neo-chùramach, no bun-structar sàbhailteachd neo-iomchaidh. Mar sin, tha e reusanta a bhith den bheachd gum faodar nano-stuthan, a’ gabhail a-steach nano-stuthan dà-thaobhach (2D), a leigeil ma sgaoil don àrainneachd nàdarra, agus nach eil an giùlan agus an gnìomhachd bhitheòlasach aca air an tuigsinn gu h-iomlan fhathast. Mar sin, chan eil e na iongnadh gu bheil draghan mu eag-thocsaineachd air fòcas a chuir air comas nano-stuthan 2D a dhol a-steach do shiostaman uisgeach2,3,4,5,6. Anns na h-eag-shiostaman sin, faodaidh cuid de nano-stuthan 2D eadar-obrachadh le diofar fhàs-bheairtean aig diofar ìrean trofaigeach, a’ gabhail a-steach meanbh-algaich.
Is e fàs-bheairtean prìomhadail a th’ ann am meanbh-algaichean a lorgar gu nàdarra ann an eag-shiostaman uisge fìor agus mara a bhios a’ dèanamh measgachadh de thoraidhean ceimigeach tro foto-co-chur7. Mar sin, tha iad deatamach do eag-shiostaman uisgeach8,9,10,11,12 ach tha iad cuideachd nan comharran mothachail, saor agus air an cleachdadh gu farsaing air eag-phuinnseanta13,14. Leis gu bheil ceallan meanbh-algaichean ag iomadachadh gu luath agus a’ freagairt gu sgiobalta ri làthaireachd diofar choimeasgaidhean, tha iad gealltanach airson leasachadh dhòighean a tha càirdeil don àrainneachd airson uisge air a thruailleadh le stuthan organach15,16 a làimhseachadh.
Faodaidh ceallan algaich ianan neo-organach a thoirt a-mach à uisge tro bhith gan sorbadh agus gan cruinneachadh17,18. Tha cuid de ghnèithean algaich leithid Chlorella, Anabaena invar, Westiellopsis prolifica, Stigeoclonium tenue agus Synechococcus sp. air a lorg gu bheil e a’ giùlan agus eadhon a’ beathachadh ianan meatailt puinnseanta leithid Fe2+, Cu2+, Zn2+ agus Mn2+19. Tha sgrùdaidhean eile air sealltainn gu bheil ianan Cu2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+ no Pb2+ a’ cuingealachadh fàs Scenedesmus le bhith ag atharrachadh morf-eòlas cheallan agus a’ sgrios an cuid chloroplasts20,21.
Tha dòighean uaine airson lobhadh thruailleadh organach agus toirt air falbh ianan meatailt throm air aire luchd-saidheans agus innleadairean air feadh an t-saoghail a tharraing. Tha seo gu ìre mhòr air sgàth 's gu bheil na truailleadh sin furasta an giullachd anns an ìre leaghaidh. Ach, tha truailleadh criostalach neo-organach air a chomharrachadh le solubhail ìosal ann an uisge agus buailteachd ìosal do dhiofar chruth-atharrachaidhean bith-eòlasach, a tha ag adhbhrachadh dhuilgheadasan mòra ann an leigheas, agus chan eil mòran adhartais air a dhèanamh san raon seo22,23,24,25,26. Mar sin, tha an rannsachadh airson fuasglaidhean càirdeil don àrainneachd airson càradh nano-stuthan fhathast na raon iom-fhillte agus gun sgrùdadh. Air sgàth na h-ìre àrd de mhì-chinnt a thaobh buaidhean cruth-atharrachaidh bith-eòlasach nano-stuthan 2D, chan eil dòigh furasta ann airson faighinn a-mach na slighean a dh’ fhaodadh a bhith ann airson an lughdachadh rè lughdachadh.
Anns an sgrùdadh seo, chleachd sinn meanbh-algaich uaine mar àidseant bith-leighis uisgeach gnìomhach airson stuthan ceirmeag neo-organach, còmhla ri sgrùdadh in situ air pròiseas lobhadh MXene mar riochdaire de stuthan ceirmeag neo-organach. Tha an teirm “MXene” a’ nochdadh stoichiometry an stuth Mn+1XnTx, far a bheil M na mheatailt gluasaid tràth, X na charbon agus/no naitridean, Tx na chrìochnaiche uachdar (me, -OH, -F, -Cl), agus n = 1, 2, 3 no 427.28. Bho chaidh MXenes a lorg le Naguib et al. Sensorics, leigheas aillse agus sìoladh membran 27,29,30. A bharrachd air an sin, faodar beachdachadh air MXenes mar shiostaman modail 2D air sgàth an seasmhachd colloidal sàr-mhath agus eadar-obrachaidhean bith-eòlasach a dh’ fhaodadh a bhith ann 31,32,33,34,35,36.
Mar sin, tha am modh-obrach a chaidh a leasachadh san artaigil seo agus ar barailean rannsachaidh air an sealltainn ann am Figear 1. A rèir na barail seo, bidh meanbh-fheòil a’ briseadh sìos MXenes stèidhichte air Nb gu bhith nan todhar neo-phuinnseanta mar thoradh air eadar-obrachaidhean fiosaigeach-cheimigeach co-cheangailte ris an uachdar, a leigeas le tuilleadh faighinn seachad air na feòlagan. Gus an barail seo a dhearbhadh, chaidh dà bhall den teaghlach de charbidean agus/no nitrides meatailt gluasaid (MXenes) stèidhichte air niobium tràth, is iad sin Nb2CTx agus Nb4C3TX, a thaghadh.
Modh-obrach rannsachaidh agus barailean stèidhichte air fianais airson faighinn air ais MXene le meanbh-fheòil uaine Raphidocelis subcapitata. Thoir an aire nach eil seo ach riochdachadh sgemataigeach de bharailean stèidhichte air fianais. Tha àrainneachd na locha eadar-dhealaichte anns a’ mheadhan beathachaidh a thathar a’ cleachdadh agus na suidheachaidhean (me, cearcall làitheil agus cuingealachaidhean ann am beathachadh riatanach a tha rim faighinn). Air a chruthachadh le BioRender.com.
Mar sin, le bhith a’ cleachdadh MXene mar shiostam modail, tha sinn air an doras fhosgladh gu sgrùdadh air diofar bhuaidhean bith-eòlasach nach gabh fhaicinn le nano-stuthan àbhaisteach eile. Gu sònraichte, tha sinn a’ sealltainn gum faod meanbh-algaich Raphidocelis subcapitata nano-stuthan dà-thaobhach, leithid MXenes stèidhichte air niobium, a bhith air an ath-leigheas gu bith-eòlasach. Tha meanbh-algaich comasach air Nb-MXenes a bhriseadh sìos gu na h-ocsaidean neo-phuinnseanta NbO agus Nb2O5, a bhios cuideachd a’ toirt seachad beathachadh tron ​​mheacanism gabhail niobium. Gu h-iomlan, tha an sgrùdadh seo a’ freagairt ceist bhunasach chudromach mu na pròiseasan co-cheangailte ri eadar-obrachaidhean fiosaigeach-cheimigeach uachdar a bhios a’ riaghladh mheacanaigidhean bith-leigheas nan nano-stuthan dà-thaobhach. A bharrachd air an sin, tha sinn a’ leasachadh dòigh shìmplidh stèidhichte air paramadair cumadh airson atharrachaidhean beaga a leantainn ann an cumadh nan nano-stuthan 2D. Tha seo a’ brosnachadh tuilleadh rannsachaidh geàrr-ùine agus fad-ùine air na diofar bhuaidhean àrainneachdail a tha aig nano-stuthan criostalach neo-organach. Mar sin, tha an sgrùdadh againn a’ meudachadh tuigse air an eadar-obrachadh eadar uachdar an stuth agus stuth bith-eòlasach. Tha sinn cuideachd a’ toirt seachad a’ bhunait airson sgrùdaidhean geàrr-ùine is fad-ùine leudaichte air na buaidhean a dh’ fhaodadh a bhith aca air eag-shiostaman uisge fìor, agus faodar an dearbhadh gu furasta a-nis.
Tha MXenes a’ riochdachadh clas inntinneach de stuthan le feartan fiosaigeach is ceimigeach sònraichte is tarraingeach agus mar sin mòran thagraidhean a dh’ fhaodadh a bhith ann. Tha na feartan sin gu ìre mhòr an urra ris an stoichiometry agus an ceimigeachd uachdar. Mar sin, anns an sgrùdadh againn, rinn sinn sgrùdadh air dà sheòrsa de MXenes aon-fhilleadh (SL) ìreachail stèidhichte air Nb, Nb2CTx agus Nb4C3TX, leis gum faodadh buaidhean bith-eòlasach eadar-dhealaichte de na nano-stuthan sin a bhith air am faicinn. Tha MXenes air an dèanamh bho na stuthan tòiseachaidh aca le bhith a’ seargadh roghnach bho mhullach gu bonn de shreathan A tana gu atamach ìre MAX. Tha an ìre MAX na cheirmeag trì-fhillte air a dhèanamh suas de bhlocaichean “ceangailte” de charbidean meatailt gluasaid agus sreathan tana de eileamaidean “A” leithid Al, Si, agus Sn le stoichiometry MnAXn-1. Chaidh morf-eòlas na h-ìre MAX tùsail fhaicinn le microscopaidh sganaidh dealanach (SEM) agus bha e a rèir sgrùdaidhean roimhe (Faic Fiosrachadh a bharrachd, SI, Figear S1). Fhuaireadh Nb-MXene ioma-fhilleadh (ML) às deidh an sreath Al a thoirt air falbh le 48% HF (aigéad hydrofluoric). Chaidh morf-eòlas ML-Nb2CTx agus ML-Nb4C3TX a sgrùdadh le microscopaidh sganaidh dealanach (SEM) (Figearan S1c agus S1d fa leth) agus chaidh morf-eòlas MXene sreathach àbhaisteach fhaicinn, coltach ri nanoflakes dà-thaobhach a’ dol tro shliotan fada coltach ri pores. Tha mòran aig an dà Nb-MXene ann an cumantas le ìrean MXene a chaidh a cho-chur roimhe le searbhag searbhagach27,38. Às deidh dhuinn structar MXene a dhearbhadh, chuir sinn sreathan air le bhith a’ cur tetrabutylammonium hydroxide (TBAOH) eadar-fhilleadh agus an uairsin a’ nighe agus a’ sonication, agus às deidh sin fhuair sinn nanoflakes 2D Nb-MXene aon-fhilleadh no ìosal-fhilleadh (SL).
Chleachd sinn maicreasgopaidh dealanach tar-chuir àrd-rèiteachaidh (HRTEM) agus diffraction ghathan-X (XRD) gus èifeachdas an gràbhaladh agus an tuilleadh rùsgadh a dhearbhadh. Tha na toraidhean HRTEM a chaidh a phròiseasadh a’ cleachdadh an Inverse Fast Fourier Transform (IFFT) agus Fast Fourier Transform (FFT) air an sealltainn ann am Figear 2. Bha na nanoflakes Nb-MXene air an stiùireadh leis an oir suas gus sgrùdadh a dhèanamh air structar an t-sreath atamach agus na h-astaran eadar-phlanach a thomhas. Nochd ìomhaighean HRTEM de nanoflakes MXene Nb2CTx agus Nb4C3TX an nàdar tana gu atamach (faic Figear 2a1, a2), mar a chaidh aithris roimhe le Naguib et al.27 agus Jastrzębska et al.38. Airson dà monolayer Nb2CTx agus Nb4C3Tx faisg air làimh, cho-dhùin sinn astaran eadar-fhilleadh de 0.74 agus 1.54 nm, fa leth (Figearan 2b1,b2), a tha cuideachd a’ co-chòrdadh ris na toraidhean roimhe againn38. Chaidh seo a dhearbhadh tuilleadh leis an atharrachadh Fourier luath neo-dhìreach (Figear 2c1, c2) agus an atharrachadh Fourier luath (Figear 2d1, d2) a’ sealltainn an astair eadar na monolayers Nb2CTx agus Nb4C3Tx. Tha an ìomhaigh a’ sealltainn atharrachadh de chòmhlain aotrom is dorcha a tha a’ freagairt ri ataman niobium agus gualain, a tha a’ dearbhadh nàdar sreathanach nan MXenes a chaidh a sgrùdadh. Tha e cudromach a thoirt fa-near nach do sheall na speactraman speactroscopaidh X-ghath sgaoilidh lùtha (EDX) a fhuaireadh airson Nb2CTx agus Nb4C3Tx (Figearan S2a agus S2b) fuigheall sam bith den ìre MAX thùsail, leis nach deach bàrr Al a lorg.
Mion-sgrùdadh air nanoflakes SL Nb2CTx agus Nb4C3Tx MXene, a’ gabhail a-steach (a) ìomhaighean nanoflake 2D sealladh-taobh le microscopaidh dealanach àrd-rèiteachaidh (HRTEM) agus co-fhreagarrachd, (b) modh dian, (c) cruth-atharrachadh Fourier luath neo-dhìreach (IFFT), (d) cruth-atharrachadh Fourier luath (FFT), (e) pàtrain X-ghath Nb-MXenes. Airson SL 2D Nb2CTx, tha na h-àireamhan air an cur an cèill mar (a1, b1, c1, d1, e1). Airson SL 2D Nb4C3Tx, tha na h-àireamhan air an cur an cèill mar (a2, b2, c2, d2, e1).
Tha tomhais diffraction X-ghath de MXenes SL Nb2CTx agus Nb4C3Tx air an sealltainn ann am Figearan 2e1 agus e2, fa leth. Tha na stùcan (002) aig 4.31 agus 4.32 a’ freagairt ris na MXenes sreathanach Nb2CTx agus Nb4C3TX38,39,40,41 a chaidh a mhìneachadh roimhe fa leth. Tha na toraidhean XRD cuideachd a’ nochdadh gu bheil cuid de structaran ML agus ìrean MAX a tha air fhàgail ann, ach sa mhòr-chuid pàtrain XRD co-cheangailte ri SL Nb4C3Tx (Figear 2e2). Dh’fhaodadh làthaireachd ghràineanan nas lugha den ìre MAX mìneachadh a dhèanamh air a’ mhullach MAX nas làidire an taca ris na sreathan Nb4C3Tx a chaidh a chruachadh air thuaiream.
Tha tuilleadh rannsachaidh air fòcas a chuir air meanbh-fheòil uaine a bhuineas don ghnè R. subcapitata. Thagh sinn meanbh-fheòil oir tha iad nan riochdairean cudromach a tha an sàs ann am prìomh lìontan bìdh42. Tha iad cuideachd mar aon de na comharran as fheàrr air puinnseanta air sgàth 's gu bheil iad comasach air stuthan puinnseanta a thoirt air falbh a thèid a ghiùlan gu ìrean nas àirde den t-sreath bìdh43. A bharrachd air an sin, dh’ fhaodadh rannsachadh air R. subcapitata solas a thoirt air puinnseanta tubaisteach SL Nb-MXenes do meanbh-fhàs-bheairtean uisge fìor-uisge cumanta. Gus seo a mhìneachadh, bha an luchd-rannsachaidh den bheachd gu bheil cugallachd eadar-dhealaichte aig gach meanbh-fhàs-bheairt do choimeasgaidhean puinnseanta a tha an làthair san àrainneachd. Airson a’ mhòr-chuid de fhàs-bheairtean, chan eil dùmhlachdan ìosal de stuthan a’ toirt buaidh air an fhàs, agus faodaidh dùmhlachdan os cionn crìoch sònraichte casg a chuir orra no eadhon bàs adhbhrachadh. Mar sin, airson ar sgrùdaidhean air an eadar-obrachadh uachdar eadar meanbh-fheòil agus MXenes agus an ath-bheothachadh co-cheangailte ris, cho-dhùin sinn deuchainn a dhèanamh air dùmhlachdan gun chron agus puinnseanta Nb-MXenes. Gus seo a dhèanamh, rinn sinn deuchainn air dùmhlachdan de 0 (mar iomradh), 0.01, 0.1 agus 10 mg l-1 MXene agus a bharrachd air sin, rinn sinn deuchainn air meanbh-algaich le dùmhlachdan glè àrd de MXene (100 mg l-1 MXene), a dh’ fhaodadh a bhith anabarrach agus marbhtach… airson àrainneachd bhitheòlasach sam bith.
Tha buaidhean SL Nb-MXenes air meanbh-algaich air an sealltainn ann am Figear 3, air an cur an cèill mar cheudad de bhrosnachadh fàis (+) no casg (-) air a thomhas airson sampallan 0 mg l-1. Airson coimeas, chaidh ìre Nb-MAX agus ML Nb-MXenes a dhearbhadh cuideachd agus tha na toraidhean air an sealltainn ann an SI (faic Figear S3). Dhearbh na toraidhean a fhuaireadh gu bheil SL Nb-MXenes cha mhòr gu tur saor bho phuinnseanachadh anns an raon de dhùmhlachdan ìosal bho 0.01 gu 10 mg / l, mar a chithear ann am Figear 3a,b. A thaobh Nb2CTx, cha do mhothaich sinn barrachd air 5% eag-phuinnseanachadh anns an raon shònraichte.
Brosnachadh (+) no casg (-) air fàs meanbh-algaich an làthair SL (a) Nb2CTx agus (b) Nb4C3TX MXene. Chaidh 24, 48 agus 72 uair a thìde de eadar-obrachadh MXene-meanbh-algaich a sgrùdadh. Chaidh dàta cudromach (deuchainn-t, p < 0.05) a chomharrachadh le rionnag (*). Chaidh dàta cudromach (deuchainn-t, p < 0.05) a chomharrachadh le rionnag (*). Значимые данные (t-критерий, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Tha dàta cudromach (deuchainn-t, p < 0.05) air a chomharrachadh le rionnag (*).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-deuchainn, p < 0,05) отмечены звездочкой (*). Tha dàta cudromach (deuchainn-t, p < 0.05) air a chomharrachadh le rionnag (*).Tha saighdean dearga a’ comharrachadh cuir às do bhrosnachadh bacaidh.
Air an làimh eile, bha dùmhlachdan ìosal de Nb4C3TX beagan nas puinnseanta, ach gun a bhith nas àirde na 7%. Mar a bha dùil, mhothaich sinn gu robh puinnseanta agus casg fàs meanbh-algaich nas àirde aig MXenes aig 100mg L-1. Gu inntinneach, cha do sheall gin de na stuthan an aon ghluasad agus eisimeileachd ùine de bhuaidhean atoxic/puinnseanta an taca ris na sampallan MAX no ML (faic SI airson mion-fhiosrachadh). Ged a ràinig puinnseanta timcheall air 15–25% airson ìre MAX (faic Figear S3) agus mheudaich e le ùine, chaidh an gluasad cùil fhaicinn airson SL Nb2CTx agus Nb4C3TX MXene. Lùghdaich casg fàs meanbh-algaich thar ùine. Ràinig e timcheall air 17% às deidh 24 uairean agus thuit e gu nas lugha na 5% às deidh 72 uairean (Figear 3a, b, fa leth).
Nas cudromaiche, airson SL Nb4C3TX, ràinig casg fàs meanbh-algaich mu 27% an dèidh 24 uairean, ach an dèidh 72 uairean lùghdaich e gu mu 1%. Mar sin, chomharraich sinn a’ bhuaidh a chaidh fhaicinn mar bhacadh neo-dhìreach air brosnachadh, agus bha a’ bhuaidh nas làidire airson SL Nb4C3TX MXene. Chaidh brosnachadh fàs meanbh-algaich a thoirt fa-near na bu thràithe le Nb4C3TX (eadar-obrachadh aig 10 mg L-1 airson 24 uair) an taca ri SL Nb2CTx MXene. Chaidh buaidh tionndaidh casg-brosnachaidh a nochdadh gu math cuideachd anns a’ lùb ìre dùblachadh bith-thomas (faic Figear S4 airson mion-fhiosrachadh). Gu ruige seo, chan eil ach eag-phuinnseanta Ti3C2TX MXene air a sgrùdadh ann an diofar dhòighean. Chan eil e puinnseanta do embryos iasg sebra44 ach meadhanach eag-phuinnseanta do na lusan meanbh-algaich Desmodesmus quadricauda agus Sorghum saccharatum45. Am measg eisimpleirean eile de bhuaidhean sònraichte tha puinnseanta nas àirde do loidhnichean cealla aillse na do loidhnichean cealla àbhaisteach46,47. Dh’fhaodadh a bhith den bheachd gum biodh buaidh aig na suidheachaidhean deuchainn air na h-atharrachaidhean ann am fàs meanbh-algaich a chithear an làthair Nb-MXenes. Mar eisimpleir, tha pH de mu 8 anns an stroma cloroplast as fheàrr airson obrachadh èifeachdach einnsein RuBisCO. Mar sin, bidh atharrachaidhean pH a’ toirt droch bhuaidh air ìre foto-co-chur48,49. Ach, cha do mhothaich sinn atharrachaidhean mòra ann am pH rè an deuchainn (faic SI, Figear S5 airson mion-fhiosrachadh). San fharsaingeachd, lughdaich cultaran meanbh-algaich le Nb-MXenes pH an fhuasglaidh beagan thar ùine. Ach, bha an lùghdachadh seo coltach ri atharrachadh ann am pH meadhan fìor-ghlan. A bharrachd air an sin, bha an raon atharrachaidhean a chaidh a lorg coltach ris an fhear a chaidh a thomhas airson cultar fìor-ghlan de meanbh-algaich (sampall smachd). Mar sin, tha sinn a’ tighinn chun a’ cho-dhùnaidh nach eil atharrachaidhean ann am pH thar ùine a’ toirt buaidh air foto-co-chur.
A bharrachd air sin, tha crìochnachaidhean uachdar aig na MXenes a chaidh a cho-chur (air an comharrachadh mar Tx). Is iad sin sa mhòr-chuid buidhnean gnìomh -O, -F agus -OH. Ach, tha ceimigeachd uachdar ceangailte gu dìreach ris an dòigh-obrach co-chur. Tha fios gu bheil na buidhnean sin air an sgaoileadh air thuaiream thairis air an uachdar, ga dhèanamh duilich an èifeachd air feartan MXene50 a ro-innse. Faodar a ràdh gum faodadh Tx a bhith na fheachd catalaíseach airson oxidation niobium le solas. Gu dearbh, bidh buidhnean gnìomh uachdar a’ toirt seachad iomadh làrach acair airson na photocatalysts bunaiteach aca gus heterojunctions51 a chruthachadh. Ach, cha tug co-dhèanamh a’ mheadhain fàis photocatalyst èifeachdach (gheibhear mion-fhiosrachadh mu cho-dhèanamh a’ mheadhain ann an Clàr SI S6). A bharrachd air sin, tha atharrachadh uachdar sam bith glè chudromach cuideachd, oir faodar gnìomhachd bhitheòlasach MXenes atharrachadh air sgàth iar-phròiseasadh sreathan, oxidation, atharrachadh ceimigeach uachdar de choimeasgaidhean organach agus neo-organach52,53,54,55,56 no innleadaireachd cosgais uachdar38. Mar sin, gus deuchainn a dhèanamh a bheil ceangal sam bith aig niobium oxide ri neo-sheasmhachd stuthan anns a’ mheadhan, rinn sinn sgrùdaidhean air comas zeta (ζ) ann am meadhan fàis meanbh-algaich agus uisge dì-ionichte (airson coimeas). Tha na toraidhean againn a’ sealltainn gu bheil SL Nb-MXenes gu math seasmhach (faic SI Fig. S6 airson toraidhean MAX agus ML). Tha comas zeta SL MXenes mu -10 mV. A thaobh SR Nb2CTx, tha luach ζ beagan nas àicheil na luach Nb4C3Tx. Dh’ fhaodadh atharrachadh mar sin ann an luach ζ a bhith a’ nochdadh gu bheil uachdar nanoflakes MXene le cosgais àicheil a’ gabhail a-steach ianan le cosgais dheimhinneach bhon mheadhan cultar. Tha e coltach gu bheil tomhais sealach de chomas zeta agus seoltachd Nb-MXenes ann am meadhan cultar (faic Figearan S7 agus S8 ann an SI airson tuilleadh fiosrachaidh) a’ toirt taic don bharail againn.
Ach, sheall an dà SL Nb-MXene atharrachaidhean beaga bho neoni. Tha seo a’ sealltainn gu soilleir an seasmhachd ann am meadhan fàis meanbh-algaich. A bharrachd air an sin, rinn sinn measadh an toireadh làthaireachd ar meanbh-algaich uaine buaidh air seasmhachd Nb-MXenes sa mheadhan. Gheibhear toraidhean comas zeta agus seoltachd MXenes às deidh eadar-obrachadh le meanbh-algaich ann am meadhanan beathachaidh agus cultar thar ùine ann an SI (Figearan S9 agus S10). Gu inntinneach, mhothaich sinn gu robh coltas gu robh làthaireachd meanbh-algaich a’ seasmhachadh sgaoileadh an dà MXene. A thaobh Nb2CTx SL, lùghdaich comas zeta beagan thar ùine gu luachan nas àicheil (-15.8 an aghaidh -19.1 mV às deidh 72 uair de ghoir). Mheudaich comas zeta SL Nb4C3TX beagan, ach às deidh 72 uair a thìde sheall e fhathast seasmhachd nas àirde na nanoflakes às aonais làthaireachd meanbh-algaich (-18.1 an aghaidh -9.1 mV).
Lorg sinn cuideachd seoltachd nas ìsle ann am fuasglaidhean Nb-MXene air an goradh ann an làthair meanbh-algaich, a’ nochdadh gu bheil nas lugha de ianan anns a’ mheadhan beathachaidh. Gu sònraichte, tha neo-sheasmhachd MXenes ann an uisge mar thoradh air oxidation uachdar sa mhòr-chuid57. Mar sin, tha sinn an amharas gun do ghlan meanbh-algaich uaine na h-ocsaidean a chaidh a chruthachadh air uachdar Nb-MXene agus gun do chuir iad casg air an tachairt (oxidation MXene). Chithear seo le bhith a’ sgrùdadh nan seòrsaichean stuthan a bhios meanbh-algaich a’ gabhail a-steach.
Ged a sheall na sgrùdaidhean eag-thocsaineòlais againn gun robh meanbh-algaich comasach air faighinn thairis air puinnseanta Nb-MXenes thar ùine agus an casg neo-àbhaisteach air fàs brosnaichte, b’ e amas an sgrùdaidh againn sgrùdadh a dhèanamh air dòighean-obrach a dh’ fhaodadh a bhith ann. Nuair a bhios fàs-bheairtean leithid algaich fosgailte do choimeasgaidhean no stuthan nach eil eòlach air na h-eag-shiostaman aca, faodaidh iad freagairt ann an grunn dhòighean58,59. Mura h-eil ocsaidean meatailt puinnseanta ann, faodaidh meanbh-algaich iad fhèin a bhiadhadh, a’ leigeil leotha fàs gu leantainneach60. Às deidh dhaibh stuthan puinnseanta a shlugadh, faodar dòighean-obrach dìon a ghnìomhachadh, leithid atharrachadh cumadh no cruth. Feumar beachdachadh cuideachd air a’ chomas gabhail a-steach58,59. Gu sònraichte, tha comharra sam bith de dhòigh-obrach dìon na chomharradh soilleir air puinnseanta a’ choimeasgaidh deuchainn. Mar sin, nar n-obair a bharrachd, rinn sinn sgrùdadh air an eadar-obrachadh uachdar a dh’ fhaodadh a bhith ann eadar nanoflakes SL Nb-MXene agus meanbh-algaich le SEM agus an gabhail a-steach a dh’ fhaodadh a bhith ann de MXene stèidhichte air Nb le speactroscopaidh fluorescence X-ray (XRF). Thoir an aire nach deach mion-sgrùdaidhean SEM agus XRF a dhèanamh ach aig an dùmhlachd as àirde de MXene gus dèiligeadh ri cùisean puinnseanta gnìomhachd.
Tha toraidhean an SEM air an sealltainn ann am Figear 4. Sheall ceallan meanbh-algaich gun làimhseachadh (faic Figear 4a, sampall fiosrachaidh) gu soilleir morf-eòlas àbhaisteach R. subcapitata agus cumadh cealla coltach ri croissant. Tha coltas rèidh air na ceallan agus beagan neo-eagraichte. Bha cuid de cheallan meanbh-algaich a’ dol thairis air a chèile agus ceangailte ri chèile, ach is dòcha gur e am pròiseas ullachaidh sampall a dh’ adhbhraich seo. San fharsaingeachd, bha uachdar rèidh aig ceallan meanbh-algaich fìor-ghlan agus cha do sheall iad atharrachaidhean morf-eòlach sam bith.
Dealbhan SEM a’ sealltainn eadar-obrachadh uachdar eadar meanbh-fheòil uaine agus nanosheetean MXene an dèidh 72 uair de eadar-obrachadh aig dùmhlachd anabarrach (100 mg L-1). (a) Meanbh-fheòil uaine gun làimhseachadh an dèidh eadar-obrachadh le SL (b) Nb2CTx agus (c) Nb4C3TX MXenes. Thoir an aire gu bheil na nanoshlagan Nb-MXene air an comharrachadh le saigheadan dearga. Airson coimeas, tha dealbhan bho mhiocroscop optigeach air an cur ris cuideachd.
An coimeas ri sin, chaidh ceallan meanbh-algaich a chaidh an glacadh le nanoflakes SL Nb-MXene a mhilleadh (faic Figear 4b, c, saigheadan dearga). A thaobh Nb2CTx MXene (Figear 4b), bidh meanbh-algaich buailteach fàs le nano-sgèilean dà-thaobhach ceangailte, agus faodaidh seo am morf-eòlas atharrachadh. Gu sònraichte, chunnaic sinn na h-atharrachaidhean seo cuideachd fo mhicreasgopaidh solais (faic Figear SI S11 airson mion-fhiosrachadh). Tha bunait reusanta aig an atharrachadh morf-eòlach seo ann am fiseòlas meanbh-algaich agus an comas iad fhèin a dhìon le bhith ag atharrachadh morf-eòlas cealla, leithid meud cealla a mheudachadh61. Mar sin, tha e cudromach sgrùdadh a dhèanamh air an àireamh de cheallan meanbh-algaich a tha dha-rìribh ann an conaltradh ri Nb-MXenes. Sheall sgrùdaidhean SEM gun robh timcheall air 52% de cheallan meanbh-algaich fosgailte do Nb-MXenes, agus sheachain 48% de na ceallan meanbh-algaich sin conaltradh. Airson SL Nb4C3Tx MXene, bidh meanbh-algaich a’ feuchainn ri conaltradh ri MXene a sheachnadh, agus mar sin a’ suidheachadh agus a’ fàs bho nano-sgèilean dà-thaobhach (Figear 4c). Ach, cha do mhothaich sinn mar a bha nanosgèilean a’ dol a-steach do cheallan meanbh-algaich agus an milleadh a rinn iad.
Tha fèin-ghlèidheadh ​​cuideachd na ghiùlan freagairt a tha an urra ri ùine ri bacadh foto-co-chur air sgàth glacadh mìrean air uachdar nan ceallan agus a’ bhuaidh ris an canar sgàileadh (sgàileadh)62. Tha e soilleir gu bheil gach nì (mar eisimpleir, nanoflakes Nb-MXene) a tha eadar na meanbh-algaich agus an stòr solais a’ cuingealachadh na tha de sholas air a ghabhail a-steach leis na cloroplasts. Ach, chan eil teagamh sam bith againn gu bheil seo a’ toirt buaidh mhòr air na toraidhean a fhuaireadh. Mar a chithear leis na beachdan microscopach againn, cha robh na nanoflakes 2D air am pasgadh no air an cumail gu tur ri uachdar nam meanbh-algaich, eadhon nuair a bha na ceallan meanbh-algaich ann an conaltradh ri Nb-MXenes. An àite sin, thionndaidh na nanoflakes a-mach gu bhith air an stiùireadh gu ceallan meanbh-algaich gun an uachdar a chòmhdach. Chan urrainn dha seata mar sin de nanoflakes/meanbh-algaich crìochan mòr a chuir air na tha de sholas air a ghabhail a-steach le ceallan meanbh-algaich. A bharrachd air an sin, tha cuid de sgrùdaidhean air leasachadh a nochdadh ann an gabhail a-steach solais le fàs-bheairtean foto-cho-chur an làthair nano-stuthan dà-thaobhach63,64,65,66.
Leis nach b’ urrainn do ìomhaighean SEM dearbhadh gu dìreach gu robh ceallan meanbh-algaich a’ gabhail a-steach niobium, thionndaidh an sgrùdadh a leanas againn gu mion-sgrùdadh fluorescence X-ghath (XRF) agus speactroscopaidh foto-electron X-ghath (XPS) gus a’ chùis seo a shoilleireachadh. Mar sin, rinn sinn coimeas eadar dian nam prìomh mhullaichean Nb de shampaill meanbh-algaich iomraidh nach do rinn eadar-obrachadh le MXenes, nanoflakes MXene air an sgaradh bho uachdar cheallan meanbh-algaich, agus ceallan meanbh-algaich às deidh dhaibh MXenes ceangailte a thoirt air falbh. Is fhiach a thoirt fa-near mura h-eil gabhail ri Nb ann, gum bu chòir an luach Nb a gheibh na ceallan meanbh-algaich a bhith neoni às deidh na nano-sgèilean ceangailte a thoirt air falbh. Mar sin, ma thachras gabhail ri Nb, bu chòir do thoraidhean XRF agus XPS prìomh Nb soilleir a shealltainn.
A thaobh speactra XRF, sheall sampallan meanbh-algaich stùcan Nb airson SL Nb2CTx agus Nb4C3Tx MXene às dèidh eadar-obrachadh le SL Nb2CTx agus Nb4C3Tx MXene (faic Figear 5a, thoir an aire cuideachd gu bheil na toraidhean airson MAX agus ML MXenes air an sealltainn ann an SI, Figearan S12–C17). Gu inntinneach, tha dian stùc Nb an aon rud anns an dà chùis (bàraichean dearga ann am Figear 5a). Chomharraich seo nach b’ urrainn dha na algaich barrachd Nb a ghabhail a-steach, agus chaidh an comas as motha airson cruinneachadh Nb a choileanadh anns na ceallan, ged a bha dà uiread a bharrachd Nb4C3Tx MXene ceangailte ris na ceallan meanbh-algaich (bàraichean gorma ann am Figear 5a). Gu sònraichte, tha comas meanbh-algaich meatailtean a ghabhail a-steach an urra ri dùmhlachd ocsaidean meatailt san àrainneachd67,68. Lorg Shamshada et al.67 gu bheil comas gabhail a-steach algaich fìor-uisge a’ lùghdachadh le pH ag àrdachadh. Thug Raize et al.68 fa-near gu robh comas feamainn meatailtean a ghabhail a-steach mu 25% nas àirde airson Pb2+ na airson Ni2+.
(a) Toraidhean XRF de ghlacadh bunaiteach Nb le ceallan meanbh-algaich uaine air an goir aig dùmhlachd anabarrach de SL Nb-MXenes (100 mg L-1) airson 72 uair a thìde. Tha na toraidhean a’ sealltainn gu bheil α ann an ceallan meanbh-algaich fìor-ghlan (sampall smachd, colbhan liath), nanoflakes 2D air an sgaradh bho cheallan meanbh-algaich uachdar (colbhan gorma), agus ceallan meanbh-algaich às deidh sgaradh nanoflakes 2D bhon uachdar (colbhan dearga). Meud an Nb eileamaideach, (b) ceudad de cho-dhèanamh ceimigeach phàirtean organach meanbh-algaich (C=O agus CHx/C–O) agus ocsaidean Nb a tha an làthair ann an ceallan meanbh-algaich às deidh goir le SL Nb-MXenes, (c–e) Freagarrachd mullach co-dhèanamh speactra XPS SL Nb2CTx agus (fh) SL Nb4C3Tx MXene air a thoirt a-steach le ceallan meanbh-algaich.
Mar sin, bha sinn an dùil gum b’ urrainn do cheallan algaich Nb a ghabhail a-steach ann an cruth ocsaidean. Gus seo a dhearbhadh, rinn sinn sgrùdaidhean XPS air MXenes Nb2CTx agus Nb4C3TX agus ceallan algaich. Tha toraidhean an eadar-obrachadh eadar meanbh-algaich agus Nb-MXenes agus MXenes a chaidh a sgaradh bho cheallan algaich air an sealltainn ann am Figearan 5b. Mar a bha dùil, lorg sinn mullaichean Nb 3d anns na sampallan meanbh-algaich às deidh MXene a thoirt air falbh bho uachdar a’ mheanbh-algaich. Chaidh an dearbhadh cainneachdail de ocsaidean C=O, CHx/CO, agus Nb obrachadh a-mach stèidhichte air na speactra Nb 3d, O 1s, agus C 1s a fhuaireadh le Nb2CTx SL (Figear 5c–e) agus Nb4C3Tx SL (Figear 5c–e). ) a fhuaireadh bho meanbh-algaich air an goil. Figear 5f–h) MXenes. Tha Clàr S1-3 a’ sealltainn mion-fhiosrachadh mu na paraimeatairean mullaich agus a’ cheimigeachd iomlan mar thoradh air an fhreagarrachd. Is fhiach a thoirt fa-near gu bheil roinnean Nb 3d de Nb2CTx SL agus Nb4C3Tx SL (Figear 5c, f) a’ freagairt ri aon phàirt Nb2O5. An seo, cha d’ fhuair sinn mullaichean co-cheangailte ri MXene anns na speactraman, a’ nochdadh nach eil ceallan meanbh-algaich a’ gabhail a-steach ach cruth ogsaid Nb. A bharrachd air an sin, rinn sinn tuairmse air speactram C 1 s leis na pàirtean C–C, CHx/C–O, C=O, agus –COOH. Shònraich sinn na mullaichean CHx/C–O agus C=O don tabhartas organach bho cheallan meanbh-algaich. Tha na pàirtean organach seo a’ dèanamh suas 36% agus 41% de na mullaichean C 1s ann an Nb2CTx SL agus Nb4C3TX SL, fa leth. An uairsin chuir sinn na speactraman O 1s de SL Nb2CTx agus SL Nb4C3TX ri Nb2O5, pàirtean organach de mheanbh-algaich (CHx/CO), agus uisge air a ghlacadh air an uachdar.
Mu dheireadh, sheall toraidhean XPS gu soilleir cruth Nb, chan e dìreach a làthaireachd. A rèir suidheachadh comharra 3d Nb agus toraidhean an dì-chonbhlachaidh, tha sinn a’ dearbhadh nach eil Nb air a ghabhail a-steach ach ann an cruth ocsaidean agus chan ann an ianan no MXene fhèin. A bharrachd air an sin, sheall toraidhean XPS gu bheil comas nas motha aig ceallan meanbh-algaich ocsaidean Nb a ghabhail a-steach bho SL Nb2CTx an taca ri SL Nb4C3TX MXene.
Ged a tha na toraidhean againn airson gabhail ri Nb drùidhteach agus a’ leigeil leinn lobhadh MXene a chomharrachadh, chan eil dòigh sam bith ri fhaighinn airson atharrachaidhean morf-eòlach co-cheangailte riutha a leantainn ann an nanoflakes 2D. Mar sin, cho-dhùin sinn cuideachd dòigh iomchaidh a leasachadh a dh’ fhaodas freagairt gu dìreach ri atharrachaidhean sam bith a tha a’ tachairt ann an nanoflakes 2D Nb-MXene agus ceallan meanbh-algaich. Tha e cudromach a thoirt fa-near gu bheil sinn a’ gabhail ris ma thèid cruth-atharrachadh, lobhadh no dì-bhriseadh sam bith tro na gnèithean eadar-ghnìomhach, gum bu chòir seo nochdadh gu sgiobalta mar atharrachaidhean ann am paramadairean cumadh, leithid trast-thomhas na sgìre chruinn co-ionann, cruinneachd, leud Feret, no fad Feret. Leis gu bheil na paramadairean sin freagarrach airson mìrean fada no nanoflakes dà-thaobhach a mhìneachadh, bheir an tracadh le mion-sgrùdadh cumadh mìrean fiùghantach fiosrachadh luachmhor dhuinn mu chruth-atharrachadh morf-eòlach nanoflakes SL Nb-MXene rè lughdachadh.
Tha na toraidhean a fhuaireadh air an sealltainn ann am Figear 6. Airson coimeas, rinn sinn deuchainn cuideachd air an ìre MAX thùsail agus ML-MXenes (faic Figearan SI S18 agus S19). Sheall mion-sgrùdadh fiùghantach air cumadh nam mìrean gun do dh’atharraich a h-uile paramadair cumadh de dhà SL Nb-MXene gu mòr às deidh eadar-obrachadh le meanbh-algaich. Mar a chithear leis a’ pharamadair trast-thomhas raon cruinn co-ionann (Figear 6a, b), tha an dian stùc lùghdaichte den chuibhreann de nanoflakes mòra a’ nochdadh gu bheil iad buailteach a bhith a’ lobhadh gu bhith nan earrannan nas lugha. Air figear 6c, tha d a’ sealltainn lùghdachadh anns na stùcan co-cheangailte ri meud transverse nan flakes (sìneadh nan nanoflakes), a’ nochdadh cruth-atharrachadh nan nanoflakes 2D gu cumadh nas coltaiche ri mìrean. Figear 6e-h a’ sealltainn leud agus fad an Feret, fa leth. Tha leud agus fad an Feret nan paramadairean co-phàirteach agus mar sin bu chòir beachdachadh orra còmhla. Às deidh goir nan nanoflakes 2D Nb-MXene an làthair meanbh-algaich, ghluais na stùcan co-dhàimh Feret aca agus lùghdaich an dian. Stèidhichte air na toraidhean seo còmhla ri morf-eòlas, XRF agus XPS, cho-dhùin sinn gu bheil na h-atharrachaidhean a chaidh fhaicinn ceangailte gu làidir ri ocsaideachadh leis gu bheil MXenes ocsaidichte a’ fàs nas rocach agus a’ briseadh sìos gu pìosan agus mìrean ocsaid cruinn69,70.
Mion-sgrùdadh air cruth-atharrachadh MXene an dèidh eadar-obrachadh le meanbh-algaich uaine. Bidh mion-sgrùdadh fiùghantach cumadh mìrean a’ toirt aire do pharaimeatairean leithid (a, b) trast-thomhas na sgìre cruinn co-ionann, (c, d) cruinneachd, (e, f) leud an fheòir agus (g, h) fad an fheòir. Gus seo a dhèanamh, chaidh dà shampall fiosrachaidh de mheanbh-algaich a sgrùdadh còmhla ri MXenes SL Nb2CTx agus SL Nb4C3Tx bun-sgoile, MXenes SL Nb2CTx agus SL Nb4C3Tx, meanbh-algaich air an lughdachadh, agus meanbh-algaich air an làimhseachadh SL Nb2CTx agus SL Nb4C3Tx MXenes. Tha na saigheadan dearga a’ sealltainn gluasadan paraimeatairean cumadh nan nanoflakes dà-thaobhach a chaidh a sgrùdadh.
Leis gu bheil mion-sgrùdadh paramadair cumadh glè earbsach, faodaidh e cuideachd atharrachaidhean morf-eòlach fhoillseachadh ann an ceallan meanbh-algaich. Mar sin, rinn sinn mion-sgrùdadh air trast-thomhas na sgìre cruinn co-ionann, cruinn-chruth, agus leud/fad Feret de cheallan meanbh-algaich fìor-ghlan agus ceallan às dèidh eadar-obrachadh le nanoflakes 2D Nb. Air fig. 6a–h chithear atharrachaidhean ann am paramadairean cumadh cheallan algaich, mar a chithear le lùghdachadh ann an dian as àirde agus gluasad maxima a dh’ionnsaigh luachan nas àirde. Gu sònraichte, sheall paramadairean cruinn-chruth cealla lùghdachadh ann an ceallan sìnte agus àrdachadh ann an ceallan cruinn (Figear 6a, b). A bharrachd air an sin, mheudaich leud cealla Feret grunn mhicromeatairean às dèidh eadar-obrachadh le SL Nb2CTx MXene (Figear 6e) an taca ri SL Nb4C3TX MXene (Figear 6f). Tha sinn an amharas gum faodadh seo a bhith mar thoradh air an glacadh làidir de ocsaidean Nb le meanbh-algaich às dèidh eadar-obrachadh le Nb2CTx SR. Faodaidh ceangal nas lugha teann de fhlacan Nb ris an uachdar aca leantainn gu fàs cealla le glè bheag de bhuaidh sgàil.
Tha na beachdan againn air atharrachaidhean ann am paramadairean cumadh is meud meanbh-fheòil a’ cur ri sgrùdaidhean eile. Faodaidh meanbh-fheòil uaine am morf-eòlas atharrachadh mar fhreagairt do chuideam àrainneachdail le bhith ag atharrachadh meud, cumadh no metabolism cealla61. Mar eisimpleir, bidh atharrachadh meud cheallan a’ dèanamh gabhail a-steach beathachadh71 nas fhasa72. Tha ceallan algaich nas lugha a’ sealltainn gabhail beathachaidh nas ìsle agus ìre fàis lag. Air an làimh eile, bidh ceallan nas motha buailteach barrachd beathachaidh ithe, a thèid an uairsin a thasgadh gu ceallach72,73. Fhuair Machado agus Soares a-mach gun urrainn don fungicide triclosan meud cealla a mheudachadh. Lorg iad cuideachd atharrachaidhean mòra ann an cumadh nan algaich74. A bharrachd air an sin, nochd Yin et al.9 cuideachd atharrachaidhean morf-eòlach ann an algaich às deidh dhaibh a bhith fosgailte do nano-cho-thàthaidhean ocsaid grafein lùghdaichte. Mar sin, tha e soilleir gu bheil na paramadairean meud / cumadh atharraichte de na meanbh-fheòil air adhbhrachadh le làthaireachd MXene. Leis gu bheil an t-atharrachadh seo ann am meud agus cumadh a’ nochdadh atharrachaidhean ann an gabhail beathachaidh, tha sinn a’ creidsinn gum faod mion-sgrùdadh air paramadairean meud is cumadh thar ùine gabhail a-steach ocsaid niobium le meanbh-fheòil a nochdadh an làthair Nb-MXenes.
A bharrachd air sin, faodar MXenes a ocsaidachadh an làthair lìonanaich. Thug Dalai et al.75 fa-near nach robh morf-eòlas lìonanaich uaine a chaidh a nochdadh do nano-TiO2 agus Al2O376 co-ionnan. Ged a tha na beachdan againne coltach ris an sgrùdadh seo, chan eil e buntainneach ach do sgrùdadh buaidhean bith-leigheas a thaobh thoraidhean lobhadh MXene an làthair nanoflakes 2D agus chan e nanoparticles. Leis gum faod MXenes lobhadh gu ocsaidean meatailt,31,32,77,78 tha e reusanta a bhith den bheachd gum faod na nanoflakes Nb againn ocsaidean Nb a chruthachadh cuideachd às deidh dhaibh eadar-obrachadh le ceallan meanbh-lìonanaich.
Gus mìneachadh a dhèanamh air lughdachadh nan nanoflakes 2D-Nb tro mheacanism lobhadh stèidhichte air a’ phròiseas ocsaididh, rinn sinn sgrùdaidhean a’ cleachdadh microscopaidh dealanach tar-chuir àrd-rèiteachaidh (HRTEM) (Figear 7a, b) agus speactroscopaidh foto-electron X-ghath (XPS) (Figear 7). 7c-i agus clàran S4-5). Tha an dà dhòigh-obrach freagarrach airson sgrùdadh a dhèanamh air ocsaididh stuthan 2D agus tha iad a’ cur ri chèile. Tha HRTEM comasach air mion-sgrùdadh a dhèanamh air lobhadh structaran sreathan dà-thaobhach agus coltas nan nanoparticles meatailt ocsaid às dèidh sin, agus tha XPS mothachail air ceanglaichean uachdar. Airson an adhbhair seo, rinn sinn deuchainn air nanoflakes 2D Nb-MXene a chaidh a thoirt a-mach à sgapadh cealla meanbh-algaich, is e sin, an cumadh às dèidh eadar-obrachadh le ceallan meanbh-algaich (faic Figear 7).
Dealbhan HRTEM a’ sealltainn morf-eòlas MXenes SL Nb2CTx (a) agus SL Nb4C3Tx oxidichte, toraidhean mion-sgrùdaidh XPS a’ sealltainn (c) co-dhèanamh thoraidhean ocsaid às dèidh lughdachadh, (d–f) maidseadh mullaich de phàirtean de speactra XPS SL Nb2CTx agus (g–i) Nb4C3Tx SL air an càradh le meanbh-algaich uaine.
Dhearbh sgrùdaidhean HRTEM gu robh dà sheòrsa de nanoflakes Nb-MXene air an ocsaidachadh. Ged a ghlèidh na nanoflakes an cruth-eòlas dà-thaobhach gu ìre, dh’adhbhraich ocsaidachadh coltas mòran nanoparticles a’ còmhdach uachdar nan nanoflakes MXene (faic Figear 7a,b). Sheall mion-sgrùdadh XPS air comharran c Nb 3d agus O 1s gun deach ocsaidean Nb a chruthachadh anns an dà chùis. Mar a chithear ann am Figear 7c, tha comharran Nb 3d aig 2D MXene Nb2CTx agus Nb4C3TX a’ nochdadh gu bheil ocsaidean NbO agus Nb2O5 an làthair, agus tha comharran O 1s a’ nochdadh an àireamh de cheanglaichean O–Nb co-cheangailte ri gnìomhachadh uachdar nan nanoflakes 2D. Mhothaich sinn gu bheil tabhartas an ocsaid Nb nas làidire an taca ri Nb-C agus Nb3+-O.
Air fig. Tha Figearan 7g–i a’ sealltainn speactra XPS de Nb 3d, C 1s, agus O 1s SL Nb2CTx (faic Figearan 7d–f) agus SL Nb4C3TX MXene air an sgaradh bho cheallan meanbh-algaich. Tha mion-fhiosrachadh mu pharaimeatairean mullaich Nb-MXenes air an toirt seachad ann an Clàran S4–5, fa leth. An toiseach, rinn sinn mion-sgrùdadh air co-dhèanamh Nb 3d. An coimeas ri Nb air a ghabhail a-steach le ceallan meanbh-algaich, ann am MXene air a sgaradh bho cheallan meanbh-algaich, a bharrachd air Nb2O5, lorgar co-phàirtean eile. Anns an Nb2CTx SL, chunnaic sinn tabhartas Nb3+-O ann an ìre 15%, agus bha an còrr den speactram Nb 3d air a stiùireadh le Nb2O5 (85%). A bharrachd air an sin, tha co-phàirtean Nb-C (9%) agus Nb2O5 (91%) anns an sampall SL Nb4C3TX. An seo tha Nb-C a’ tighinn bho dhà shreath atamach a-staigh de charbide meatailt ann an Nb4C3Tx SR. An uairsin bidh sinn a’ mapadh nan speactraman C 1s gu ceithir pàirtean eadar-dhealaichte, mar a rinn sinn anns na sampallan a chaidh a thoirt a-steach. Mar a bha dùil, tha carbon grafait a’ faighinn làmh an uachdair air speactram C 1s, agus an uairsin tabhartasan bho ghràineanan organach (CHx/CO agus C=O) bho cheallan meanbh-algaich. A bharrachd air an sin, anns an speactram O 1s, chunnaic sinn tabhartas chruthan organach de cheallan meanbh-algaich, niobium oxide, agus uisge adsorbed.
A bharrachd air sin, rinn sinn sgrùdadh air a bheil ceangal eadar sgoltadh Nb-MXenes agus làthaireachd ghnèithean ocsaidean ath-ghnìomhach (ROS) anns a’ mheadhan beathachaidh agus/no ceallan meanbh-algaich. Gus seo a dhèanamh, rinn sinn measadh air ìrean ocsaidean singilte (1O2) anns a’ mheadhan cultar agus glutathione intracellular, thiol a bhios ag obair mar antioxidant ann am meanbh-algaich. Tha na toraidhean air an sealltainn ann an SI (Figearan S20 agus S21). Bha cultaran le SL Nb2CTx agus Nb4C3TX MXenes air an comharrachadh le lùghdachadh de 1O2 (faic Figear S20). A thaobh SL Nb2CTx, tha MXene 1O2 air a lùghdachadh gu timcheall air 83%. Airson cultaran meanbh-algaich a’ cleachdadh SL, lùghdaich Nb4C3TX 1O2 eadhon nas motha, gu 73%. Gu inntinneach, sheall atharrachaidhean ann an 1O2 an aon ghluasad ris a’ bhuaidh bacaidh-brosnachaidh a chaidh fhaicinn roimhe (faic Figear 3). Faodar a ràdh gum faod goir ann an solas soilleir photooxidation atharrachadh. Ach, sheall toraidhean an sgrùdaidh smachd ìrean cha mhòr seasmhach de 1O2 rè an deuchainn (Figear S22). A thaobh ìrean ROS intracellular, chunnaic sinn an aon ghluasad sìos cuideachd (faic Figear S21). An toiseach, bha ìrean ROS ann an ceallan meanbh-fheòil a chaidh a chultarachadh an làthair SLs Nb2CTx agus Nb4C3Tx nas àirde na na h-ìrean a lorgar ann an cultaran fìor-ghlan de meanbh-fheòil. Mu dheireadh, ge-tà, nochd e gun do dh’atharraich na meanbh-fheòil ri làthaireachd an dà Nb-MXene, leis gun do lùghdaich ìrean ROS gu 85% agus 91% de na h-ìrean a chaidh a thomhas ann an cultaran fìor-ghlan de meanbh-fheòil air an cur le SL Nb2CTx agus Nb4C3TX, fa leth. Dh’ fhaodadh seo a bhith a’ nochdadh gu bheil meanbh-fheòil a’ faireachdainn nas comhfhurtail thar ùine an làthair Nb-MXene na ann am meadhan beathachaidh leis fhèin.
Tha meanbh-fheòil nan buidheann eadar-mheasgte de fhàs-bheairtean foto-cho-chur. Rè foto-cho-chur, bidh iad ag atharrachadh carbon dà-ogsaid àile (CO2) gu carbon organach. Is e glùcois agus ogsaidean toraidhean foto-cho-chur79. Tha sinn an amharas gu bheil pàirt chudromach aig an ogsaidean a chruthaichear mar seo ann an oxidation Nb-MXenes. Is e aon mhìneachadh a dh’ fhaodadh a bhith ann airson seo gu bheil am paramadair èadhair eadar-dhealaichte air a chruthachadh aig cuideaman pàirteach ìosal is àrd de ogsaidean taobh a-muigh agus taobh a-staigh nan nanoflakes Nb-MXene. Tha seo a’ ciallachadh ge bith càite a bheil raointean de chuideaman pàirteach eadar-dhealaichte de ogsaidean, gum bi an raon leis an ìre as ìsle a’ cruthachadh an anod 80, 81, 82. An seo, bidh na meanbh-fheòil a’ cur ri cruthachadh cheallan èadhair eadar-dhealaichte air uachdar nan flakes MXene, a bhios a’ dèanamh ocsaidean air sgàth an cuid fheartan foto-cho-chur. Mar thoradh air an sin, bidh toraidhean bith-chreimeadh (sa chùis seo, niobium oxides) air an cruthachadh. Is e taobh eile gum faod meanbh-fheòil aigéid organach a thoirt gu buil a thèid a leigeil ma sgaoil don uisge83,84. Mar sin, bidh àrainneachd ionnsaigheach air a chruthachadh, agus mar sin ag atharrachadh nan Nb-MXenes. A bharrachd air sin, faodaidh meanbh-algaich pH na h-àrainneachd atharrachadh gu alcalin air sgàth gabhail a-steach carbon dà-ogsaid, agus faodaidh seo creimeadh adhbhrachadh cuideachd79.
Nas cudromaiche buileach, tha an ùine-foto dorcha/aotrom a chaidh a chleachdadh san sgrùdadh againn deatamach airson tuigse fhaighinn air na toraidhean a fhuaireadh. Tha an taobh seo air a mhìneachadh gu mionaideach ann an Djemai-Zoghlache et al. 85 Chleachd iad a dh’aona ghnothach ùine-foto 12/12 uair a thìde gus bith-chreimeadh co-cheangailte ri bith-thruailleadh leis a’ mhicro-fhliuch dhearg Porphyridium purpureum a nochdadh. Tha iad a’ sealltainn gu bheil an ùine-foto co-cheangailte ri mean-fhàs a’ chomas às aonais bith-chreimeadh, ga nochdadh fhèin mar chreathadh pseudoperiodic timcheall air 24:00. Chaidh na beachdan sin a dhearbhadh le Dowling et al. 86 Sheall iad bith-fhilmichean foto-cho-chur de cyanobacteria Anabaena. Tha ocsaidean sgaoilte air a chruthachadh fo ghnìomh solais, a tha co-cheangailte ri atharrachadh no caochlaidhean ann an comas bith-chreimeadh saor. Tha cudromachd na h-ùine-foto air a neartachadh leis gu bheil an comas saor airson bith-chreimeadh ag àrdachadh anns an ìre solais agus a’ lùghdachadh anns an ìre dhorcha. Tha seo mar thoradh air an ogsaidean a bhios meanbh-algaich foto-cho-churrach a’ dèanamh, a bheir buaidh air an ath-bhualadh catodic tron ​​chuideam pàirteach a thèid a chruthachadh faisg air na electrodan87.
A bharrachd air sin, chaidh speactroscopaidh infridhearg cruth-atharrachaidh Fourier (FTIR) a dhèanamh gus faighinn a-mach an robh atharrachaidhean sam bith air tachairt ann an co-dhèanamh ceimigeach cheallan meanbh-algaich às dèidh eadar-obrachadh le Nb-MXenes. Tha na toraidhean seo a fhuaireadh iom-fhillte agus tha sinn gan taisbeanadh ann an SI (Figearan S23-S25, a’ gabhail a-steach toraidhean ìre MAX agus ML MXenes). Ann an ùine ghoirid, tha na speactraman iomraidh a fhuaireadh de mheanbh-algaich a’ toirt dhuinn fiosrachadh cudromach mu fheartan ceimigeach nan organsaichean sin. Tha na crithidhean as coltaiche seo suidhichte aig triceadan 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). Airson SL Nb-MXenes, lorg sinn soidhne sìneadh CH-bann a tha a rèir an sgrùdaidh roimhe againn38. Ach, mhothaich sinn gun deach cuid de na stùcan a bharrachd co-cheangailte ri ceanglaichean C=C agus CH à sealladh. Tha seo a’ nochdadh gum faodadh atharrachaidhean beaga a bhith ann an co-dhèanamh ceimigeach meanbh-algaich mar thoradh air eadar-obrachadh le SL Nb-MXenes.
Nuair a thathar a’ beachdachadh air atharrachaidhean a dh’ fhaodadh a bhith ann am bith-cheimigeachd meanbh-algaich, feumar ath-bheachdachadh air cruinneachadh ocsaidean neo-organach, leithid ocsaid niobium59. Tha e an sàs ann an glacadh mheatailtean le uachdar nan ceallan, an còmhdhail a-steach don cytoplasm, an ceangal ri buidhnean carboxyl intracellular, agus an cruinneachadh ann am polyphosphosomes meanbh-algaich20,88,89,90. A bharrachd air an sin, tha an dàimh eadar meanbh-algaich agus meatailtean air a chumail suas le buidhnean gnìomh de cheallan. Air an adhbhar seo, tha glacadh cuideachd an urra ri ceimigeachd uachdar meanbh-algaich, a tha gu math iom-fhillte9,91. San fharsaingeachd, mar a bha dùil, dh’ atharraich co-dhèanamh ceimigeach meanbh-algaich uaine beagan air sgàth glacadh ocsaid Nb.
Gu inntinneach, b’ urrainn don chasg tùsail a chaidh fhaicinn air meanbh-algaich atharrachadh thar ùine. Mar a chunnaic sinn, rinn na meanbh-algaich thairis air an atharrachadh àrainneachdail tùsail agus mu dheireadh thill iad gu ìrean fàis àbhaisteach agus eadhon mheudaich iad. Tha sgrùdaidhean air comas zeta a’ sealltainn seasmhachd àrd nuair a thèid a thoirt a-steach do mheadhanan beathachaidh. Mar sin, chaidh an eadar-obrachadh uachdar eadar ceallan meanbh-algaich agus nanoflakes Nb-MXene a chumail suas tron ​​​​​​phròiseas lughdachadh. Anns an sgrùdadh a bharrachd againn, tha sinn a’ geàrr-chunntas air na prìomh dhòighean gnìomh a tha aig bonn a’ ghiùlain iongantach seo de mheanbh-algaich.
Tha amharc SEM air sealltainn gu bheil meanbh-algaich buailteach a bhith a’ ceangal ri Nb-MXenes. Le bhith a’ cleachdadh mion-sgrùdadh ìomhaighean fiùghantach, tha sinn a’ dearbhadh gu bheil a’ bhuaidh seo ag adhbhrachadh cruth-atharrachadh nan nanoflakes dà-thaobhach Nb-MXene gu mìrean nas cruinne, agus mar sin a’ sealltainn gu bheil lobhadh nan nanoflakes co-cheangailte ris an oxidation. Gus ar beachd-bharail a dhearbhadh, rinn sinn sreath de sgrùdaidhean stuthan agus bith-cheimiceach. Às deidh deuchainn, dh’ oxidaich na nanoflakes mean air mhean agus lobhadh iad gu toraidhean NbO agus Nb2O5, nach robh a’ bagairt meanbh-algaich uaine. Le bhith a’ cleachdadh amharc FTIR, cha d’ fhuair sinn atharrachaidhean mòra sam bith ann an co-dhèanamh ceimigeach meanbh-algaich air an goradh an làthair nanoflakes 2D Nb-MXene. A’ toirt aire don chothrom gun gabh meanbh-algaich niobium oxide a ghabhail a-steach, rinn sinn mion-sgrùdadh fluorescence X-ghath. Tha na toraidhean seo a’ sealltainn gu soilleir gu bheil na meanbh-algaich a chaidh a sgrùdadh ag ithe ocsaidean niobium (NbO agus Nb2O5), nach eil puinnseanta do na meanbh-algaich a chaidh a sgrùdadh.