Nature.comను సందర్శించినందుకు ధన్యవాదాలు. మీరు పరిమిత CSS మద్దతు ఉన్న బ్రౌజర్ వెర్షన్‌ను ఉపయోగిస్తున్నారు. ఉత్తమ అనుభవం కోసం, మీరు అప్‌డేట్ చేయబడిన బ్రౌజర్‌ను ఉపయోగించాలని (లేదా ఇంటర్నెట్ ఎక్స్‌ప్లోరర్‌లో కంపాటిబిలిటీ మోడ్‌ను నిలిపివేయాలని) మేము సిఫార్సు చేస్తున్నాము. ఈలోగా, మద్దతు కొనసాగేలా చూసేందుకు, మేము స్టైల్స్ మరియు జావాస్క్రిప్ట్ లేకుండా సైట్‌ను రెండర్ చేస్తాము.
ఒకేసారి మూడు స్లయిడ్‌ల క్యారౌసెల్‌ను ప్రదర్శిస్తుంది. ఒకేసారి మూడు స్లయిడ్‌ల ద్వారా ముందుకు వెళ్లడానికి 'మునుపటి' మరియు 'తదుపరి' బటన్‌లను ఉపయోగించండి, లేదా చివరన ఉన్న స్లైడర్ బటన్‌లను ఉపయోగించి ఒకేసారి మూడు స్లయిడ్‌ల ద్వారా ముందుకు వెళ్లండి.
నానోటెక్నాలజీ యొక్క వేగవంతమైన అభివృద్ధి మరియు దానిని రోజువారీ అనువర్తనాలలో ఏకీకృతం చేయడం పర్యావరణానికి ముప్పు కలిగించగలదు. సేంద్రీయ కాలుష్య కారకాల విచ్ఛిన్నానికి పర్యావరణ అనుకూల పద్ధతులు బాగా స్థిరపడినప్పటికీ, అకర్బన స్ఫటికాకార కాలుష్య కారకాల పునరుద్ధరణ ఒక ప్రధాన ఆందోళనగా ఉంది. దీనికి కారణం, అవి జీవ పరివర్తనకు తక్కువ సున్నితత్వాన్ని కలిగి ఉండటం మరియు జీవసంబంధమైన వాటితో పదార్థ ఉపరితలాల పరస్పర చర్యలపై అవగాహన లేకపోవడం. ఇక్కడ, మేము రాఫిడోసెలిస్ సబ్‌క్యాపిటాటా అనే ఆకుపచ్చ సూక్ష్మశైవలం ద్వారా 2D సిరామిక్ నానోమెటీరియల్స్ యొక్క జీవ పునరుద్ధరణ యంత్రాంగాన్ని గుర్తించడానికి, ఒక సరళమైన ఆకార పారామీటర్ విశ్లేషణ పద్ధతితో కలిపి Nb-ఆధారిత అకర్బన 2D MXenes నమూనాను ఉపయోగించాము. ఉపరితలానికి సంబంధించిన భౌతిక-రసాయన పరస్పర చర్యల కారణంగా సూక్ష్మశైవలాలు Nb-ఆధారిత MXenesను విచ్ఛిన్నం చేస్తాయని మేము కనుగొన్నాము. ప్రారంభంలో, ఏక-పొర మరియు బహుళ-పొర MXene నానోఫ్లేక్‌లు సూక్ష్మశైవలాల ఉపరితలానికి అంటుకున్నాయి, ఇది శైవలాల పెరుగుదలను కొంతవరకు తగ్గించింది. అయితే, ఉపరితలంతో ఎక్కువసేపు సంకర్షణ చెందినప్పుడు, సూక్ష్మశైవలాలు MXene నానోఫ్లేక్‌లను ఆక్సీకరణం చేసి, వాటిని NbO మరియు Nb2O5గా మరింతగా విచ్ఛిన్నం చేశాయి. ఈ ఆక్సైడ్‌లు సూక్ష్మశైవల కణాలకు విషపూరితం కానందున, అవి శోషణ యంత్రాంగం ద్వారా Nb ఆక్సైడ్ నానోకణాలను వినియోగించుకుంటాయి, ఇది 72 గంటల నీటి శుద్ధి తర్వాత సూక్ష్మశైవలాన్ని మరింత పునరుద్ధరిస్తుంది. శోషణతో సంబంధం ఉన్న పోషకాల ప్రభావాలు కణ పరిమాణంలో పెరుగుదల, వాటి నునుపైన ఆకారం మరియు పెరుగుదల రేటులో మార్పులో కూడా ప్రతిబింబిస్తాయి. ఈ పరిశోధనల ఆధారంగా, మంచినీటి పర్యావరణ వ్యవస్థలలో Nb-ఆధారిత MXenes యొక్క స్వల్పకాలిక మరియు దీర్ఘకాలిక ఉనికి కేవలం స్వల్ప పర్యావరణ ప్రభావాలను మాత్రమే కలిగిస్తుందని మేము నిర్ధారించాము. ద్విమితీయ నానోపదార్థాలను నమూనా వ్యవస్థలుగా ఉపయోగించి, సూక్ష్మ-కణ పదార్థాలలో కూడా ఆకార పరివర్తనను గుర్తించే అవకాశాన్ని మేము ప్రదర్శించడం గమనార్హం. మొత్తంమీద, ఈ అధ్యయనం 2D నానోపదార్థాల జీవ పునరుద్ధరణ యంత్రాంగాన్ని నడిపించే ఉపరితల పరస్పర చర్య-సంబంధిత ప్రక్రియల గురించి ఒక ముఖ్యమైన ప్రాథమిక ప్రశ్నకు సమాధానమిస్తుంది మరియు అకర్బన స్ఫటికాకార నానోపదార్థాల పర్యావరణ ప్రభావంపై తదుపరి స్వల్పకాలిక మరియు దీర్ఘకాలిక అధ్యయనాలకు ఒక ఆధారాన్ని అందిస్తుంది.
నానోపదార్థాలు కనుగొనబడినప్పటి నుండి వాటిపై చాలా ఆసక్తి పెరిగింది, మరియు వివిధ నానోటెక్నాలజీలు ఇటీవల ఆధునీకరణ దశలోకి ప్రవేశించాయి¹. దురదృష్టవశాత్తు, నానోపదార్థాలను రోజువారీ అనువర్తనాల్లో చేర్చడం వల్ల, వాటిని సరిగ్గా పారవేయకపోవడం, అజాగ్రత్తగా వాడటం లేదా తగినంత భద్రతా మౌలిక సదుపాయాలు లేకపోవడం వంటి కారణాల వల్ల అవి ప్రమాదవశాత్తు విడుదలయ్యే అవకాశం ఉంది. అందువల్ల, ద్విమితీయ (2D) నానోపదార్థాలతో సహా ఇతర నానోపదార్థాలు సహజ పర్యావరణంలోకి విడుదల కాగలవని భావించడం సహేతుకమే. వీటి ప్రవర్తన మరియు జీవసంబంధ కార్యకలాపాల గురించి ఇంకా పూర్తిగా అవగాహన లేదు. కాబట్టి, 2D నానోపదార్థాలు జల వ్యవస్థలలోకి స్రవించే సామర్థ్యంపై పర్యావరణ విషపూరితత (ఎకోటాక్సిసిటీ) ఆందోళనలు దృష్టి సారించడంలో ఆశ్చర్యం లేదు²,³,⁴,⁵,⁶. ఈ పర్యావరణ వ్యవస్థలలో, కొన్ని 2D నానోపదార్థాలు సూక్ష్మశైవలాలతో సహా వివిధ పోషక స్థాయిలలోని జీవులతో సంకర్షణ చెందగలవు.
సూక్ష్మశైవలాలు మంచినీటి మరియు సముద్ర జీవావరణ వ్యవస్థలలో సహజంగా కనిపించే ఆదిమ జీవులు, ఇవి కిరణజన్య సంయోగక్రియ ద్వారా అనేక రసాయన ఉత్పత్తులను ఉత్పత్తి చేస్తాయి7. అందువల్ల, అవి జల జీవావరణ వ్యవస్థలకు కీలకమైనవి8,9,10,11,12, కానీ అవి పర్యావరణ విషప్రభావానికి సున్నితమైన, చవకైన మరియు విస్తృతంగా ఉపయోగించే సూచికలు కూడా13,14. సూక్ష్మశైవల కణాలు వేగంగా వృద్ధి చెందుతాయి మరియు వివిధ సమ్మేళనాల ఉనికికి త్వరగా ప్రతిస్పందిస్తాయి కాబట్టి, సేంద్రీయ పదార్థాలతో కలుషితమైన నీటిని శుద్ధి చేయడానికి పర్యావరణ అనుకూల పద్ధతులను అభివృద్ధి చేయడంలో ఇవి ఆశాజనకంగా ఉన్నాయి15,16.
శైవల కణాలు జీవశోషణ మరియు సంచయం ద్వారా నీటి నుండి అకర్బన అయాన్లను తొలగించగలవు¹⁷,¹⁸. క్లోరెల్లా, అనబేనా ఇన్వార్, వెస్టియెల్లోప్సిస్ ప్రోలిఫికా, స్టిజియోక్లోనియం టెన్యూ మరియు సైనెకోకస్ sp. వంటి కొన్ని శైవల జాతులు Fe²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ మరియు Mn²⁺ వంటి విషపూరిత లోహ అయాన్లను మోయగలవని మరియు పోషించగలవని కనుగొనబడింది¹⁹. ఇతర అధ్యయనాలు Cu²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺ లేదా Pb²⁺ అయాన్లు కణ స్వరూపాన్ని మార్చడం మరియు వాటి క్లోరోప్లాస్ట్‌లను నాశనం చేయడం ద్వారా స్కెనెడెస్మస్ పెరుగుదలను పరిమితం చేస్తాయని చూపించాయి²⁰,²¹.
సేంద్రీయ కాలుష్య కారకాల విచ్ఛిన్నానికి మరియు భారీ లోహ అయాన్ల తొలగింపునకు సంబంధించిన పర్యావరణ అనుకూల పద్ధతులు ప్రపంచవ్యాప్తంగా శాస్త్రవేత్తలు మరియు ఇంజనీర్ల దృష్టిని ఆకర్షించాయి. దీనికి ప్రధాన కారణం, ఈ కాలుష్య కారకాలను ద్రవ దశలో సులభంగా ప్రాసెస్ చేయగలగడం. అయితే, అకర్బన స్ఫటికాకార కాలుష్య కారకాలు తక్కువ నీటిలో కరిగే గుణాన్ని మరియు వివిధ జీవ పరివర్తనలకు తక్కువ సున్నితత్వాన్ని కలిగి ఉంటాయి, ఇది వాటి నివారణలో గొప్ప ఇబ్బందులను కలిగిస్తుంది, మరియు ఈ రంగంలో చాలా తక్కువ పురోగతి సాధించబడింది22,23,24,25,26. అందువల్ల, నానోమెటీరియల్స్ మరమ్మత్తు కోసం పర్యావరణ అనుకూల పరిష్కారాల అన్వేషణ ఒక సంక్లిష్టమైన మరియు అన్వేషించబడని రంగంగా మిగిలిపోయింది. 2D నానోమెటీరియల్స్ యొక్క జీవ పరివర్తన ప్రభావాల గురించి అధిక స్థాయిలో అనిశ్చితి ఉన్నందున, క్షయకరణ సమయంలో వాటి క్షీణత యొక్క సాధ్యమయ్యే మార్గాలను కనుగొనడానికి సులభమైన మార్గం లేదు.
ఈ అధ్యయనంలో, మేము అకర్బన సిరామిక్ పదార్థాల కోసం ఒక క్రియాశీల జల జీవ పునరుద్ధరణ కారకంగా ఆకుపచ్చ సూక్ష్మశైవలాన్ని ఉపయోగించాము, దీనికి అకర్బన సిరామిక్ పదార్థాలకు ప్రతినిధిగా MXene యొక్క క్షీణత ప్రక్రియ యొక్క ఇన్ సిటు పర్యవేక్షణను జతచేసాము. "MXene" అనే పదం Mn+1XnTx పదార్థం యొక్క స్టాయికియోమెట్రీని ప్రతిబింబిస్తుంది, ఇక్కడ M ఒక ప్రారంభ పరివర్తన లోహం, X కార్బన్ మరియు/లేదా నైట్రోజన్, Tx ఒక ఉపరితల టెర్మినేటర్ (ఉదా, -OH, -F, -Cl), మరియు n = 1, 2, 3 లేదా 427.28. నగుయిబ్ మరియు ఇతరులు MXenesను కనుగొన్నప్పటి నుండి. సెన్సరిక్స్, క్యాన్సర్ చికిత్స మరియు మెంబ్రేన్ ఫిల్ట్రేషన్ 27,29,30. అదనంగా, MXenes వాటి అద్భుతమైన కొల్లాయిడల్ స్థిరత్వం మరియు సాధ్యమయ్యే జీవసంబంధ పరస్పర చర్యల కారణంగా నమూనా 2D వ్యవస్థలుగా పరిగణించబడతాయి31,32,33,34,35,36.
అందువల్ల, ఈ వ్యాసంలో అభివృద్ధి చేయబడిన పద్ధతి మరియు మా పరిశోధన పరికల్పనలు పటం 1లో చూపబడ్డాయి. ఈ పరికల్పన ప్రకారం, సూక్ష్మశైవలాలు ఉపరితల సంబంధిత భౌతిక-రసాయన పరస్పర చర్యల కారణంగా Nb-ఆధారిత MXenesను విషరహిత సమ్మేళనాలుగా విచ్ఛిన్నం చేస్తాయి, ఇది శైవలాల తదుపరి పునరుద్ధరణకు వీలు కల్పిస్తుంది. ఈ పరికల్పనను పరీక్షించడానికి, తొలి నియోబియం-ఆధారిత పరివర్తన లోహ కార్బైడ్‌లు మరియు/లేదా నైట్రైడ్‌ల (MXenes) కుటుంబానికి చెందిన Nb2CTx మరియు Nb4C3TX అనే రెండు సభ్యులను ఎంపిక చేయడం జరిగింది.
రాఫిడోసెలిస్ సబ్‌క్యాపిటాటా అనే ఆకుపచ్చ సూక్ష్మశైవలం ద్వారా MXene పునరుద్ధరణ కొరకు పరిశోధన పద్ధతి మరియు ఆధార-ఆధారిత పరికల్పనలు. దయచేసి గమనించండి, ఇది ఆధార-ఆధారిత అంచనాల యొక్క కేవలం ఒక రేఖాచిత్ర ప్రాతినిధ్యం మాత్రమే. సరస్సు పర్యావరణం, ఉపయోగించే పోషక మాధ్యమం మరియు పరిస్థితులలో (ఉదాహరణకు, దైనందిన చక్రం మరియు అందుబాటులో ఉన్న ఆవశ్యక పోషకాలలో పరిమితులు) విభిన్నంగా ఉంటుంది. BioRender.com తో సృష్టించబడింది.
అందువల్ల, MXeneను ఒక నమూనా వ్యవస్థగా ఉపయోగించడం ద్వారా, ఇతర సాంప్రదాయ నానోమెటీరియల్స్‌తో గమనించలేని వివిధ జీవసంబంధ ప్రభావాల అధ్యయనానికి మేము మార్గం సుగమం చేశాము. ప్రత్యేకించి, రాఫిడోసెలిస్ సబ్‌క్యాపిటాటా అనే సూక్ష్మశైవలం ద్వారా నియోబియం-ఆధారిత MXeneల వంటి ద్విమితీయ నానోమెటీరియల్స్ యొక్క జీవపునరుద్ధరణ (బయోరిమీడియేషన్) సాధ్యతను మేము ప్రదర్శిస్తున్నాము. సూక్ష్మశైవలాలు Nb-MXeneలను విషరహిత ఆక్సైడ్‌లైన NbO మరియు Nb2O5గా విచ్ఛిన్నం చేయగలవు, ఇవి నియోబియం గ్రహణ యంత్రాంగం ద్వారా పోషకాలను కూడా అందిస్తాయి. మొత్తంమీద, ఈ అధ్యయనం ద్విమితీయ నానోమెటీరియల్స్ యొక్క జీవపునరుద్ధరణ యంత్రాంగాలను నియంత్రించే ఉపరితల భౌతిక-రసాయన పరస్పర చర్యలతో ముడిపడి ఉన్న ప్రక్రియల గురించి ఒక ముఖ్యమైన ప్రాథమిక ప్రశ్నకు సమాధానమిస్తుంది. అదనంగా, 2D నానోమెటీరియల్స్ ఆకారంలోని సూక్ష్మ మార్పులను గుర్తించడానికి మేము ఒక సరళమైన ఆకార-పరామితి-ఆధారిత పద్ధతిని అభివృద్ధి చేస్తున్నాము. ఇది అకర్బన స్ఫటికాకార నానోమెటీరియల్స్ యొక్క వివిధ పర్యావరణ ప్రభావాలపై తదుపరి స్వల్పకాలిక మరియు దీర్ఘకాలిక పరిశోధనలకు స్ఫూర్తినిస్తుంది. ఈ విధంగా, మా అధ్యయనం పదార్థ ఉపరితలం మరియు జీవ పదార్థం మధ్య పరస్పర చర్యపై అవగాహనను పెంచుతుంది. మంచినీటి పర్యావరణ వ్యవస్థలపై వాటి వలన కలిగే ప్రభావాలపై విస్తృతమైన స్వల్పకాలిక మరియు దీర్ఘకాలిక అధ్యయనాలకు కూడా మేము ఆధారాన్ని అందిస్తున్నాము, వీటిని ఇప్పుడు సులభంగా ధృవీకరించవచ్చు.
MXenes అనేవి ప్రత్యేకమైన మరియు ఆకర్షణీయమైన భౌతిక మరియు రసాయన లక్షణాలతో కూడిన ఒక ఆసక్తికరమైన పదార్థాల వర్గం, అందువల్ల వీటికి అనేక సంభావ్య అనువర్తనాలు ఉన్నాయి. ఈ లక్షణాలు చాలావరకు వాటి స్టోయికియోమెట్రీ మరియు ఉపరితల రసాయన శాస్త్రంపై ఆధారపడి ఉంటాయి. అందువల్ల, మా అధ్యయనంలో, మేము రెండు రకాల Nb-ఆధారిత హైరార్కికల్ సింగిల్-లేయర్ (SL) MXenes, Nb2CTx మరియు Nb4C3TX లను పరిశోధించాము, ఎందుకంటే ఈ నానోమెటీరియల్స్ యొక్క విభిన్న జీవసంబంధ ప్రభావాలను గమనించవచ్చు. MXenes అనేవి వాటి ప్రారంభ పదార్థాల నుండి, పరమాణువులంత పలుచని MAX-ఫేజ్ A-పొరలను టాప్-డౌన్ సెలెక్టివ్ ఎచింగ్ చేయడం ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడతాయి. MAX ఫేజ్ అనేది ఒక టెర్నరీ సిరామిక్, ఇది ట్రాన్సిషన్ మెటల్ కార్బైడ్‌ల "బంధిత" బ్లాక్‌లు మరియు MnAXn-1 స్టోయికియోమెట్రీతో Al, Si, మరియు Sn వంటి "A" మూలకాల పలుచని పొరలతో కూడి ఉంటుంది. ప్రారంభ MAX ఫేజ్ యొక్క స్వరూపాన్ని స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (SEM) ద్వారా గమనించబడింది మరియు ఇది మునుపటి అధ్యయనాలతో స్థిరంగా ఉంది (సప్లిమెంటరీ ఇన్ఫర్మేషన్, SI, ఫిగర్ S1 చూడండి). 48% HF (హైడ్రోఫ్లోరిక్ ఆమ్లం)తో Al పొరను తొలగించిన తర్వాత బహుళపొర (ML) Nb-MXene లభించింది. ML-Nb2CTx మరియు ML-Nb4C3TX ల స్వరూపాన్ని స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (SEM) ద్వారా పరిశీలించగా (వరుసగా చిత్రాలు S1c మరియు S1d), పొడవైన రంధ్రాల వంటి చీలికల గుండా వెళ్ళే ద్విమితీయ నానోఫ్లేక్‌ల మాదిరిగా ఉండే ఒక సాధారణ పొరల MXene స్వరూపం గమనించబడింది. ఈ రెండు Nb-MXeneలు, గతంలో యాసిడ్ ఎచింగ్27,38 ద్వారా సంశ్లేషణ చేయబడిన MXene దశలతో చాలా సారూప్యతలను కలిగి ఉన్నాయి. MXene నిర్మాణాన్ని నిర్ధారించిన తర్వాత, టెట్రాబ్యూటిల్అమ్మోనియం హైడ్రాక్సైడ్ (TBAOH) ను చొప్పించి, ఆపై కడిగి, సోనికేషన్ చేయడం ద్వారా దానిని పొరలుగా మార్చాము, దీని తర్వాత మేము ఏకపొర లేదా అల్పపొర (SL) 2D Nb-MXene నానోఫ్లేక్‌లను పొందాము.
ఎచింగ్ మరియు తదుపరి పీలింగ్ యొక్క సామర్థ్యాన్ని పరీక్షించడానికి మేము హై రిజల్యూషన్ ట్రాన్స్‌మిషన్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (HRTEM) మరియు ఎక్స్-రే డిఫ్రాక్షన్ (XRD) లను ఉపయోగించాము. ఇన్వర్స్ ఫాస్ట్ ఫోరియర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మ్ (IFFT) మరియు ఫాస్ట్ ఫోరియర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మ్ (FFT) ఉపయోగించి ప్రాసెస్ చేయబడిన HRTEM ఫలితాలు Fig. 2లో చూపబడ్డాయి. పరమాణు పొర యొక్క నిర్మాణాన్ని తనిఖీ చేయడానికి మరియు అంతరతల దూరాలను కొలవడానికి Nb-MXene నానోఫ్లేక్‌లను అంచు పైకి ఉండేలా అమర్చాము. MXene Nb2CTx మరియు Nb4C3TX నానోఫ్లేక్‌ల యొక్క HRTEM చిత్రాలు, గతంలో నగుయిబ్ మరియు ఇతరులు27 మరియు జాస్ట్రజెబ్స్కా మరియు ఇతరులు38 నివేదించినట్లుగా, వాటి పరమాణువులంత పలుచని పొరల స్వభావాన్ని వెల్లడించాయి (Fig. 2a1, a2 చూడండి). రెండు ప్రక్కప్రక్కన ఉన్న Nb2CTx మరియు Nb4C3Tx మోనోలేయర్‌ల కోసం, మేము వరుసగా 0.74 మరియు 1.54 nm అంతరపొర దూరాలను నిర్ధారించాము (Figs. 2b1,b2), ఇది మా మునుపటి ఫలితాలతో38 కూడా ఏకీభవిస్తుంది. Nb2CTx మరియు Nb4C3Tx ఏకపొరల మధ్య దూరాన్ని చూపే విలోమ ఫాస్ట్ ఫోరియర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మ్ (పటం 2c1, c2) మరియు ఫాస్ట్ ఫోరియర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మ్ (పటం 2d1, d2) ద్వారా ఇది మరింతగా నిర్ధారించబడింది. ఈ చిత్రం నియోబియం మరియు కార్బన్ పరమాణువులకు సంబంధించిన కాంతి మరియు చీకటి పట్టీల మార్పును చూపిస్తుంది, ఇది అధ్యయనం చేయబడిన MXenes యొక్క పొరల స్వభావాన్ని నిర్ధారిస్తుంది. Nb2CTx మరియు Nb4C3Tx (పటాలు S2a మరియు S2b) కోసం పొందిన ఎనర్జీ డిస్పర్సివ్ ఎక్స్-రే స్పెక్ట్రోస్కోపీ (EDX) స్పెక్ట్రాలలో అసలు MAX దశ యొక్క అవశేషాలు ఏవీ కనిపించలేదని గమనించడం ముఖ్యం, ఎందుకంటే ఏ Al శిఖరం కూడా కనుగొనబడలేదు.
SL Nb2CTx మరియు Nb4C3Tx MXene నానోఫ్లేక్‌ల లక్షణీకరణ, వీటితో సహా (a) అధిక రిజల్యూషన్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (HRTEM) సైడ్-వ్యూ 2D నానోఫ్లేక్ ఇమేజింగ్ మరియు సంబంధిత, (b) ఇంటెన్సిటీ మోడ్, (c) ఇన్వర్స్ ఫాస్ట్ ఫోరియర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మ్ (IFFT), (d) ఫాస్ట్ ఫోరియర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మ్ (FFT), (e) Nb-MXenes X-రే నమూనాలు. SL 2D Nb2CTx కొరకు, సంఖ్యలు (a1, b1, c1, d1, e1) గా వ్యక్తీకరించబడ్డాయి. SL 2D Nb4C3Tx కొరకు, సంఖ్యలు (a2, b2, c2, d2, e1) గా వ్యక్తీకరించబడ్డాయి.
SL Nb2CTx మరియు Nb4C3Tx MXenes యొక్క X-రే వివర్తన కొలతలు వరుసగా చిత్రాలు 2e1 మరియు e2 లలో చూపబడ్డాయి. 4.31 మరియు 4.32 వద్ద ఉన్న (002) శిఖరాలు, గతంలో వివరించిన పొరల MXenes అయిన Nb2CTx మరియు Nb4C3TX38,39,40,41 లకు వరుసగా అనుగుణంగా ఉంటాయి. XRD ఫలితాలు కొన్ని అవశేష ML నిర్మాణాలు మరియు MAX దశల ఉనికిని కూడా సూచిస్తున్నాయి, కానీ ఎక్కువగా SL Nb4C3Tx తో సంబంధం ఉన్న XRD నమూనాలను సూచిస్తున్నాయి (చిత్రం 2e2). యాదృచ్ఛికంగా పేర్చబడిన Nb4C3Tx పొరలతో పోలిస్తే, MAX దశ యొక్క చిన్న కణాల ఉనికి బలమైన MAX శిఖరాన్ని వివరించగలదు.
తదుపరి పరిశోధన R. subcapitata జాతికి చెందిన ఆకుపచ్చ సూక్ష్మశైవలాలపై దృష్టి సారించింది. మేము సూక్ష్మశైవలాలను ఎంచుకున్నాము, ఎందుకంటే అవి ప్రధాన ఆహారపు గొలుసులలో పాల్గొనే ముఖ్యమైన ఉత్పత్తిదారులు42. ఆహారపు గొలుసులోని ఉన్నత స్థాయిలకు చేరే విష పదార్థాలను తొలగించే సామర్థ్యం కారణంగా, అవి విషపూరితత్వానికి ఉత్తమ సూచికలలో ఒకటిగా కూడా ఉన్నాయి43. అదనంగా, R. subcapitata పై పరిశోధన, సాధారణ మంచినీటి సూక్ష్మజీవులకు SL Nb-MXenes యొక్క యాదృచ్ఛిక విషపూరితత్వంపై వెలుగునివ్వవచ్చు. దీనిని వివరించడానికి, పర్యావరణంలో ఉండే విష సమ్మేళనాలకు ప్రతి సూక్ష్మజీవికి భిన్నమైన సున్నితత్వం ఉంటుందని పరిశోధకులు ఊహించారు. చాలా జీవులకు, తక్కువ సాంద్రతలో ఉన్న పదార్థాలు వాటి పెరుగుదలను ప్రభావితం చేయవు, అయితే ఒక నిర్దిష్ట పరిమితికి మించిన సాంద్రతలు వాటిని నిరోధించగలవు లేదా మరణానికి కూడా కారణం కాగలవు. అందువల్ల, సూక్ష్మశైవలాలు మరియు MXenes మధ్య ఉపరితల పరస్పర చర్య మరియు సంబంధిత పునరుద్ధరణపై మా అధ్యయనాల కోసం, మేము Nb-MXenes యొక్క హానిచేయని మరియు విషపూరిత సాంద్రతలను పరీక్షించాలని నిర్ణయించుకున్నాము. దీనికోసం, మేము 0 (సూచనగా), 0.01, 0.1 మరియు 10 mg l-1 MXene గాఢతలను పరీక్షించాము మరియు అదనంగా, ఏదైనా జీవ పర్యావరణానికి తీవ్రమైన మరియు ప్రాణాంతకమైన చాలా అధిక MXene గాఢతలతో (100 mg l-1 MXene) సూక్ష్మశైవలాలను సంక్రమింపజేశాము.
సూక్ష్మశైవలాలపై SL Nb-MXenes యొక్క ప్రభావాలు పటం 3లో చూపబడ్డాయి, ఇవి 0 mg l-1 నమూనాల కోసం కొలవబడిన పెరుగుదల ప్రోత్సాహం (+) లేదా నిరోధం (-) శాతంగా వ్యక్తీకరించబడ్డాయి. పోలిక కోసం, Nb-MAX ఫేజ్ మరియు ML Nb-MXenes కూడా పరీక్షించబడ్డాయి మరియు ఫలితాలు SIలో చూపబడ్డాయి (పటం S3 చూడండి). పటం 3a,bలో చూపిన విధంగా, 0.01 నుండి 10 mg/l వరకు ఉన్న తక్కువ గాఢతల పరిధిలో SL Nb-MXenes దాదాపు పూర్తిగా విషరహితమైనదని పొందిన ఫలితాలు నిర్ధారించాయి. Nb2CTx విషయంలో, నిర్దిష్ట పరిధిలో 5% కంటే ఎక్కువ పర్యావరణ విషప్రభావం మేము గమనించలేదు.
SL (a) Nb2CTx మరియు (b) Nb4C3TX MXene సమక్షంలో సూక్ష్మశైవలాల పెరుగుదల యొక్క ప్రేరణ (+) లేదా నిరోధం (-). 24, 48 మరియు 72 గంటల MXene-సూక్ష్మశైవలాల పరస్పర చర్యను విశ్లేషించారు. ముఖ్యమైన డేటాను (t-పరీక్ష, p < 0.05) నక్షత్రం (*) గుర్తుతో గుర్తించారు. ముఖ్యమైన డేటాను (t-పరీక్ష, p < 0.05) నక్షత్రం (*) గుర్తుతో గుర్తించారు. Значимые данные (t-критерий, p <0,05) отмечены звездочкой (*). ముఖ్యమైన డేటా (t-పరీక్ష, p < 0.05) నక్షత్రం (*) గుర్తుతో గుర్తించబడ్డాయి.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-test, p <0,05) отмечены звездочкой (*). ముఖ్యమైన డేటా (t-పరీక్ష, p < 0.05) నక్షత్ర గుర్తు (*)తో గుర్తించబడ్డాయి.ఎరుపు బాణాలు నిరోధక ఉద్దీపన రద్దును సూచిస్తాయి.
మరోవైపు, Nb4C3TX యొక్క తక్కువ గాఢతలు కొద్దిగా ఎక్కువ విషపూరితమైనవిగా తేలాయి, కానీ 7% కంటే ఎక్కువ కాదు. ఊహించినట్లుగానే, 100mg L-1 వద్ద MXenes అధిక విషపూరితతను మరియు సూక్ష్మశైవలాల పెరుగుదల నిరోధాన్ని కలిగి ఉన్నాయని మేము గమనించాము. ఆసక్తికరంగా, MAX లేదా ML నమూనాలతో పోలిస్తే, విషరహిత/విషపూరిత ప్రభావాల విషయంలో ఏ పదార్థమూ ఒకే విధమైన ధోరణిని మరియు కాలంపై ఆధారపడటాన్ని చూపించలేదు (వివరాల కోసం SI చూడండి). MAX ఫేజ్ (Fig. S3 చూడండి) విషయంలో విషపూరితత సుమారుగా 15–25%కి చేరుకుని, కాలంతో పాటు పెరగగా, SL Nb2CTx మరియు Nb4C3TX MXene విషయంలో దీనికి విరుద్ధమైన ధోరణి గమనించబడింది. సూక్ష్మశైవలాల పెరుగుదల నిరోధం కాలక్రమేణా తగ్గింది. ఇది 24 గంటల తర్వాత సుమారుగా 17%కి చేరుకుని, 72 గంటల తర్వాత 5% కంటే తక్కువకు పడిపోయింది (వరుసగా Fig. 3a, b).
మరీ ముఖ్యంగా, SL Nb4C3TX విషయంలో, 24 గంటల తర్వాత సూక్ష్మశైవలాల పెరుగుదల నిరోధం సుమారు 27%కి చేరుకుంది, కానీ 72 గంటల తర్వాత అది సుమారు 1%కి తగ్గింది. అందువల్ల, మేము గమనించిన ప్రభావాన్ని ప్రేరణ యొక్క విలోమ నిరోధంగా పేర్కొన్నాము, మరియు ఈ ప్రభావం SL Nb4C3TX MXene విషయంలో మరింత బలంగా ఉంది. SL Nb2CTx MXeneతో పోలిస్తే, Nb4C3TX (10 mg L-1 వద్ద 24 గంటల పాటు చర్య)తో సూక్ష్మశైవలాల పెరుగుదల ప్రేరణను ముందుగానే గమనించడం జరిగింది. ఈ నిరోధ-ప్రేరణ విలోమ ప్రభావం బయోమాస్ రెట్టింపు రేటు వక్రరేఖలో కూడా స్పష్టంగా చూపబడింది (వివరాల కోసం Fig. S4 చూడండి). ఇప్పటివరకు, Ti3C2TX MXene యొక్క పర్యావరణ విషప్రభావం మాత్రమే వివిధ పద్ధతులలో అధ్యయనం చేయబడింది. ఇది జీబ్రాఫిష్ పిండాలకు విషపూరితం కాదు44 కానీ డెస్మోడెస్మస్ క్వాడ్రికాడా అనే సూక్ష్మశైవలాలకు మరియు సోర్గమ్ సాకరాటమ్ మొక్కలకు మధ్యస్థంగా పర్యావరణ విషపూరితమైనది45. నిర్దిష్ట ప్రభావాలకు ఇతర ఉదాహరణలలో సాధారణ కణాల కంటే క్యాన్సర్ కణాలకు అధిక విషపూరితత ఉండటం కూడా ఉంది46,47. Nb-MXenes సమక్షంలో గమనించిన సూక్ష్మశైవలాల పెరుగుదలలోని మార్పులను పరీక్ష పరిస్థితులు ప్రభావితం చేస్తాయని భావించవచ్చు. ఉదాహరణకు, RuBisCO ఎంజైమ్ సమర్థవంతంగా పనిచేయడానికి క్లోరోప్లాస్ట్ స్ట్రోమాలో సుమారు 8 pH ఉండటం ఉత్తమం. అందువల్ల, pH మార్పులు కిరణజన్య సంయోగక్రియ రేటును ప్రతికూలంగా ప్రభావితం చేస్తాయి48,49. అయితే, ప్రయోగ సమయంలో మేము pHలో గణనీయమైన మార్పులను గమనించలేదు (వివరాల కోసం SI, Fig. S5 చూడండి). సాధారణంగా, Nb-MXenesతో కూడిన సూక్ష్మశైవలాల కల్చర్‌లు కాలక్రమేణా ద్రావణం యొక్క pHని కొద్దిగా తగ్గించాయి. అయితే, ఈ తగ్గుదల ఒక స్వచ్ఛమైన మాధ్యమం యొక్క pHలో మార్పును పోలి ఉంది. అదనంగా, కనుగొనబడిన వైవిధ్యాల పరిధి, స్వచ్ఛమైన సూక్ష్మశైవలాల కల్చర్ (నియంత్రణ నమూనా) కోసం కొలిచిన దానితో సమానంగా ఉంది. అందువల్ల, కాలక్రమేణా pHలో మార్పుల వల్ల కిరణజన్య సంయోగక్రియ ప్రభావితం కాదని మేము నిర్ధారించాము.
అదనంగా, సంశ్లేషణ చేయబడిన MXeneలు ఉపరితల చివరలను (Txగా సూచించబడినవి) కలిగి ఉంటాయి. ఇవి ప్రధానంగా -O, -F మరియు -OH క్రియాత్మక సమూహాలు. అయితే, ఉపరితల రసాయన శాస్త్రం సంశ్లేషణ పద్ధతికి నేరుగా సంబంధం కలిగి ఉంటుంది. ఈ సమూహాలు ఉపరితలంపై యాదృచ్ఛికంగా పంపిణీ చేయబడతాయని తెలుసు, ఇది MXene50 యొక్క లక్షణాలపై వాటి ప్రభావాన్ని అంచనా వేయడం కష్టతరం చేస్తుంది. కాంతి ద్వారా నియోబియం యొక్క ఆక్సీకరణకు Tx ఉత్ప్రేరక శక్తిగా ఉండవచ్చని వాదించవచ్చు. ఉపరితల క్రియాత్మక సమూహాలు వాస్తవానికి వాటి కింద ఉన్న ఫోటోక్యాటలిస్ట్‌లు హెటెరోజంక్షన్‌లను ఏర్పరచడానికి బహుళ యాంకరింగ్ సైట్‌లను అందిస్తాయి51. అయితే, పెరుగుదల మాధ్యమం కూర్పు సమర్థవంతమైన ఫోటోక్యాటలిస్ట్‌ను అందించలేదు (వివరణాత్మక మాధ్యమం కూర్పును SI పట్టిక S6లో చూడవచ్చు). అదనంగా, ఏదైనా ఉపరితల మార్పు కూడా చాలా ముఖ్యం, ఎందుకంటే పొర పోస్ట్-ప్రాసెసింగ్, ఆక్సీకరణ, సేంద్రీయ మరియు అకర్బన సమ్మేళనాల రసాయన ఉపరితల మార్పు52,53,54,55,56 లేదా ఉపరితల ఛార్జ్ ఇంజనీరింగ్38 కారణంగా MXeneల జీవసంబంధ కార్యకలాపాలు మారవచ్చు. అందువల్ల, మాధ్యమంలో పదార్థ అస్థిరతకు నియోబియం ఆక్సైడ్‌కు ఏమైనా సంబంధం ఉందో లేదో పరీక్షించడానికి, మేము సూక్ష్మశైవలాల పెరుగుదల మాధ్యమంలో మరియు (పోలిక కోసం) డీయోనైజ్డ్ నీటిలో జీటా (ζ) పొటెన్షియల్‌పై అధ్యయనాలు నిర్వహించాము. మా ఫలితాలు SL Nb-MXenes చాలా స్థిరంగా ఉన్నాయని చూపిస్తున్నాయి (MAX మరియు ML ఫలితాల కోసం SI చిత్రం S6 చూడండి). SL MXenes యొక్క జీటా పొటెన్షియల్ సుమారుగా -10 mV. SR Nb2CTx విషయంలో, ζ విలువ Nb4C3Tx కంటే కొంత ఎక్కువగా రుణాత్మకంగా ఉంది. ζ విలువలో ఇటువంటి మార్పు, రుణాత్మకంగా చార్జ్ చేయబడిన MXene నానోఫ్లేక్‌ల ఉపరితలం కల్చర్ మాధ్యమం నుండి ధనాత్మకంగా చార్జ్ చేయబడిన అయాన్‌లను శోషించుకుంటుందని సూచించవచ్చు. కల్చర్ మాధ్యమంలో Nb-MXenes యొక్క జీటా పొటెన్షియల్ మరియు వాహకత యొక్క తాత్కాలిక కొలతలు (మరిన్ని వివరాల కోసం SIలోని చిత్రాలు S7 మరియు S8 చూడండి) మా పరికల్పనకు మద్దతు ఇస్తున్నట్లు కనిపిస్తున్నాయి.
అయితే, రెండు Nb-MXene SLలు సున్నా నుండి అతి తక్కువ మార్పులను చూపించాయి. ఇది సూక్ష్మశైవలాల పెరుగుదల మాధ్యమంలో వాటి స్థిరత్వాన్ని స్పష్టంగా ప్రదర్శిస్తుంది. అదనంగా, మా ఆకుపచ్చ సూక్ష్మశైవలాల ఉనికి మాధ్యమంలో Nb-MXeneల స్థిరత్వాన్ని ప్రభావితం చేస్తుందో లేదో మేము అంచనా వేశాము. పోషక మాధ్యమంలో మరియు కల్చర్‌లో సూక్ష్మశైవలాలతో పరస్పర చర్య తర్వాత కాలక్రమేణా MXeneల జీటా పొటెన్షియల్ మరియు వాహకత యొక్క ఫలితాలను SI (చిత్రాలు S9 మరియు S10)లో చూడవచ్చు. ఆసక్తికరంగా, సూక్ష్మశైవలాల ఉనికి రెండు MXeneల వ్యాప్తిని స్థిరీకరించినట్లు మేము గమనించాము. Nb2CTx SL విషయంలో, జీటా పొటెన్షియల్ కాలక్రమేణా కొద్దిగా తగ్గి మరింత ప్రతికూల విలువలకు చేరుకుంది (72 గంటల ఇంక్యుబేషన్ తర్వాత -15.8 వర్సెస్ -19.1 mV). SL Nb4C3TX యొక్క జీటా పొటెన్షియల్ కొద్దిగా పెరిగింది, కానీ 72 గంటల తర్వాత కూడా ఇది సూక్ష్మశైవలాలు లేని నానోఫ్లేక్‌ల కంటే అధిక స్థిరత్వాన్ని చూపించింది (-18.1 వర్సెస్ -9.1 mV).
సూక్ష్మశైవలాల సమక్షంలో ఇంక్యుబేట్ చేయబడిన Nb-MXene ద్రావణాల వాహకత్వం తక్కువగా ఉందని కూడా మేము కనుగొన్నాము, ఇది పోషక మాధ్యమంలో అయాన్ల పరిమాణం తక్కువగా ఉందని సూచిస్తుంది. ముఖ్యంగా, నీటిలో MXeneల అస్థిరత ప్రధానంగా ఉపరితల ఆక్సీకరణం⁵⁷ కారణంగా ఉంటుంది. అందువల్ల, ఆకుపచ్చ సూక్ష్మశైవలాలు Nb-MXene ఉపరితలంపై ఏర్పడిన ఆక్సైడ్‌లను ఏదో ఒక విధంగా తొలగించి, వాటి సంభవించడాన్ని (MXene యొక్క ఆక్సీకరణం) కూడా నిరోధించాయని మేము అనుమానిస్తున్నాము. సూక్ష్మశైవలాలు శోషించుకునే పదార్థాల రకాలను అధ్యయనం చేయడం ద్వారా దీనిని చూడవచ్చు.
మా పర్యావరణ విష అధ్యయనాలు, సూక్ష్మశైవలాలు కాలక్రమేణా Nb-MXeneల విషాన్ని మరియు ప్రేరేపిత పెరుగుదల యొక్క అసాధారణ నిరోధాన్ని అధిగమించగలవని సూచించినప్పటికీ, సాధ్యమయ్యే చర్య విధానాలను పరిశోధించడమే మా అధ్యయనం యొక్క లక్ష్యం. శైవలాలు వంటి జీవులు వాటి పర్యావరణ వ్యవస్థలకు అపరిచితమైన సమ్మేళనాలు లేదా పదార్థాలకు గురైనప్పుడు, అవి వివిధ రకాలుగా ప్రతిస్పందించవచ్చు58,59. విషపూరిత లోహ ఆక్సైడ్‌లు లేనప్పుడు, సూక్ష్మశైవలాలు తమకు తామే ఆహారం తీసుకోగలవు, ఇది వాటిని నిరంతరం పెరగడానికి అనుమతిస్తుంది60. విషపూరిత పదార్థాలను తీసుకున్న తర్వాత, ఆకారం లేదా రూపాన్ని మార్చుకోవడం వంటి రక్షణ యంత్రాంగాలు సక్రియం కావచ్చు. శోషణ అవకాశాన్ని కూడా పరిగణనలోకి తీసుకోవాలి58,59. ముఖ్యంగా, రక్షణ యంత్రాంగం యొక్క ఏదైనా సంకేతం పరీక్ష సమ్మేళనం యొక్క విషానికి స్పష్టమైన సూచిక. అందువల్ల, మా తదుపరి పనిలో, మేము SEM ద్వారా SL Nb-MXene నానోఫ్లేక్‌లు మరియు సూక్ష్మశైవలాల మధ్య సంభావ్య ఉపరితల పరస్పర చర్యను మరియు X-రే ఫ్లోరోసెన్స్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (XRF) ద్వారా Nb-ఆధారిత MXene యొక్క సాధ్యమయ్యే శోషణను పరిశోధించాము. క్రియాశీలత విషపూరిత సమస్యలను పరిష్కరించడానికి, SEM మరియు XRF విశ్లేషణలు MXene యొక్క అత్యధిక గాఢత వద్ద మాత్రమే నిర్వహించబడ్డాయని గమనించండి.
SEM ఫలితాలు పటం 4లో చూపబడ్డాయి. శుద్ధి చేయని సూక్ష్మశైవల కణాలు (పటం 4ఎ, సూచన నమూనా చూడండి) స్పష్టంగా విలక్షణమైన R. సబ్‌క్యాపిటాటా స్వరూపాన్ని మరియు క్రోయిసాంట్ వంటి కణ ఆకారాన్ని చూపించాయి. కణాలు చదునుగా మరియు కొంతవరకు అస్తవ్యస్తంగా కనిపిస్తాయి. కొన్ని సూక్ష్మశైవల కణాలు ఒకదానిపై ఒకటి అతివ్యాప్తి చెంది, చిక్కుకుపోయాయి, కానీ ఇది బహుశా నమూనా తయారీ ప్రక్రియ వల్ల జరిగి ఉండవచ్చు. సాధారణంగా, శుద్ధమైన సూక్ష్మశైవల కణాలు నునుపైన ఉపరితలాన్ని కలిగి ఉన్నాయి మరియు ఎటువంటి స్వరూప మార్పులను చూపించలేదు.
అత్యధిక గాఢత (100 mg L-1) వద్ద 72 గంటల పరస్పర చర్య తర్వాత ఆకుపచ్చ సూక్ష్మశైవలాలు మరియు MXene నానోషీట్‌ల మధ్య ఉపరితల పరస్పర చర్యను చూపిస్తున్న SEM చిత్రాలు. (a) SL (b) Nb2CTx మరియు (c) Nb4C3TX MXenes లతో పరస్పర చర్య తర్వాత చికిత్స చేయని ఆకుపచ్చ సూక్ష్మశైవలాలు. Nb-MXene నానోఫ్లేక్‌లు ఎరుపు బాణాలతో గుర్తించబడ్డాయని గమనించండి. పోలిక కోసం, ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోప్ నుండి తీసిన ఫోటోగ్రాఫ్‌లు కూడా జోడించబడ్డాయి.
దీనికి విరుద్ధంగా, SL Nb-MXene నానోఫ్లేక్స్‌ను శోషించుకున్న సూక్ష్మశైవల కణాలు దెబ్బతిన్నాయి (పటం 4b, c, ఎరుపు బాణాలు చూడండి). Nb2CTx MXene (పటం 4b) విషయంలో, సూక్ష్మశైవలాలు వాటికి అంటుకున్న ద్విమితీయ నానోస్కేల్స్‌తో పెరిగే ధోరణిని కలిగి ఉంటాయి, ఇది వాటి స్వరూపాన్ని మార్చగలదు. ముఖ్యంగా, మేము ఈ మార్పులను లైట్ మైక్రోస్కోపీ కింద కూడా గమనించాము (వివరాల కోసం SI పటం S11 చూడండి). ఈ స్వరూప పరివర్తనకు సూక్ష్మశైవలాల శరీరధర్మశాస్త్రంలో మరియు కణ పరిమాణాన్ని పెంచుకోవడం వంటి కణ స్వరూపాన్ని మార్చడం ద్వారా తమను తాము రక్షించుకునే వాటి సామర్థ్యంలో ఒక సహేతుకమైన ఆధారం ఉంది⁶¹. అందువల్ల, వాస్తవానికి Nb-MXenesతో సంపర్కంలో ఉన్న సూక్ష్మశైవల కణాల సంఖ్యను తనిఖీ చేయడం ముఖ్యం. SEM అధ్యయనాలు సుమారుగా 52% సూక్ష్మశైవల కణాలు Nb-MXenesకు గురయ్యాయని, అయితే ఈ సూక్ష్మశైవల కణాలలో 48% సంపర్కాన్ని నివారించాయని చూపించాయి. SL Nb4C3Tx MXene విషయంలో, సూక్ష్మశైవలాలు MXeneతో సంబంధాన్ని నివారించడానికి ప్రయత్నిస్తాయి, తద్వారా ద్విమితీయ నానోస్కేల్స్‌లో కేంద్రీకృతమై పెరుగుతాయి (Fig. 4c). అయితే, నానోస్కేల్స్ సూక్ష్మశైవల కణాలలోకి చొచ్చుకుపోవడాన్ని మరియు వాటికి నష్టం జరగడాన్ని మేము గమనించలేదు.
స్వీయ-సంరక్షణ అనేది కణ ఉపరితలంపై కణాల అధిశోషణం మరియు షేడింగ్ (నీడ) ప్రభావం⁶² కారణంగా కిరణజన్య సంయోగక్రియకు కలిగే అవరోధానికి ఒక సమయ-ఆధారిత ప్రతిస్పందన ప్రవర్తన కూడా. సూక్ష్మశైవలాలకు మరియు కాంతి మూలానికి మధ్య ఉన్న ప్రతి వస్తువు (ఉదాహరణకు, Nb-MXene నానోఫ్లేక్స్) క్లోరోప్లాస్ట్‌లచే శోషించబడిన కాంతి పరిమాణాన్ని పరిమితం చేస్తుందనేది స్పష్టం. అయితే, ఇది పొందిన ఫలితాలపై గణనీయమైన ప్రభావాన్ని చూపుతుందనడంలో మాకు ఎటువంటి సందేహం లేదు. మా సూక్ష్మదర్శిని పరిశీలనల ద్వారా చూపినట్లుగా, సూక్ష్మశైవల కణాలు Nb-MXenesతో సంపర్కంలో ఉన్నప్పుడు కూడా, 2D నానోఫ్లేక్స్ సూక్ష్మశైవలాల ఉపరితలానికి పూర్తిగా చుట్టబడలేదు లేదా అంటుకోలేదు. దానికి బదులుగా, నానోఫ్లేక్స్ వాటి ఉపరితలాన్ని కప్పకుండా సూక్ష్మశైవల కణాల వైపుగా అమరి ఉన్నాయి. ఇటువంటి నానోఫ్లేక్స్/సూక్ష్మశైవలాల అమరిక సూక్ష్మశైవల కణాలచే శోషించబడిన కాంతి పరిమాణాన్ని గణనీయంగా పరిమితం చేయలేదు. అంతేకాకుండా, కొన్ని అధ్యయనాలు ద్విమితీయ నానోమెటీరియల్స్ సమక్షంలో కిరణజన్య సంయోగక్రియ జీవుల ద్వారా కాంతి శోషణలో మెరుగుదలను కూడా ప్రదర్శించాయి63,64,65,66.
SEM చిత్రాలు సూక్ష్మశైవల కణాల ద్వారా నియోబియం గ్రహణాన్ని నేరుగా నిర్ధారించలేకపోయినందున, ఈ విషయాన్ని స్పష్టం చేయడానికి మా తదుపరి అధ్యయనం ఎక్స్-రే ఫ్లోరోసెన్స్ (XRF) మరియు ఎక్స్-రే ఫోటోఎలక్ట్రాన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (XPS) విశ్లేషణ వైపు మళ్లింది. అందువల్ల, మేము MXenesతో చర్య జరపని ప్రామాణిక సూక్ష్మశైవల నమూనాలు, సూక్ష్మశైవల కణాల ఉపరితలం నుండి వేరుపడిన MXene నానోఫ్లేక్స్, మరియు అంటుకొని ఉన్న MXenesను తొలగించిన తర్వాత సూక్ష్మశైవల కణాల యొక్క Nb శిఖరాల తీవ్రతను పోల్చాము. ఇక్కడ గమనించదగ్గ విషయం ఏమిటంటే, ఒకవేళ Nb గ్రహణం జరగకపోతే, అంటుకొని ఉన్న నానోస్కేల్స్‌ను తొలగించిన తర్వాత సూక్ష్మశైవల కణాల ద్వారా పొందిన Nb విలువ సున్నాగా ఉండాలి. అందువల్ల, ఒకవేళ Nb గ్రహణం జరిగితే, XRF మరియు XPS ఫలితాలు రెండూ స్పష్టమైన Nb శిఖరాన్ని చూపించాలి.
XRF స్పెక్ట్రా విషయంలో, SL Nb2CTx మరియు Nb4C3Tx MXene లతో చర్య జరిపిన తర్వాత సూక్ష్మశైవల నమూనాలు SL Nb2CTx మరియు Nb4C3Tx MXene ల కోసం Nb శిఖరాలను చూపించాయి (పటం 5a చూడండి, అలాగే MAX మరియు ML MXene ల ఫలితాలు SI, పటాలు S12–C17 లో చూపబడ్డాయని గమనించండి). ఆసక్తికరంగా, రెండు సందర్భాలలోనూ Nb శిఖరం యొక్క తీవ్రత ఒకే విధంగా ఉంది (పటం 5a లో ఎరుపు రంగు బార్‌లు). సూక్ష్మశైవల కణాలకు రెండు రెట్లు ఎక్కువ Nb4C3Tx MXene అంటుకున్నప్పటికీ (పటం 5a లో నీలం రంగు బార్‌లు), శైవలాలు ఎక్కువ Nb ను శోషించుకోలేకపోయాయని మరియు Nb సంచయనం కోసం గరిష్ట సామర్థ్యం కణాలలోనే సాధించబడిందని ఇది సూచించింది. ముఖ్యంగా, లోహాలను శోషించుకునే సూక్ష్మశైవలాల సామర్థ్యం పర్యావరణంలోని లోహ ఆక్సైడ్‌ల సాంద్రతపై ఆధారపడి ఉంటుంది67,68. షంషాదా మరియు ఇతరులు67 మంచినీటి శైవలాల శోషణ సామర్థ్యం pH పెరిగే కొద్దీ తగ్గుతుందని కనుగొన్నారు. Ni2+ కంటే Pb2+ కు సముద్రపు పాచి లోహాలను శోషించుకునే సామర్థ్యం సుమారు 25% ఎక్కువగా ఉందని Raize et al.68 గమనించారు.
(ఎ) SL Nb-MXenes (100 mg L-1) యొక్క అత్యధిక గాఢత వద్ద 72 గంటల పాటు ఇంక్యుబేట్ చేయబడిన ఆకుపచ్చ సూక్ష్మశైవల కణాల ద్వారా బేసల్ Nb గ్రహణానికి సంబంధించిన XRF ఫలితాలు. ఈ ఫలితాలు స్వచ్ఛమైన సూక్ష్మశైవల కణాలలో (నియంత్రణ నమూనా, బూడిద రంగు నిలువు వరుసలు), ఉపరితల సూక్ష్మశైవల కణాల నుండి వేరుచేయబడిన 2D నానోఫ్లేక్స్‌లో (నీలి రంగు నిలువు వరుసలు), మరియు ఉపరితలం నుండి 2D నానోఫ్లేక్స్‌ను వేరు చేసిన తర్వాత సూక్ష్మశైవల కణాలలో (ఎరుపు రంగు నిలువు వరుసలు) α ఉనికిని చూపుతున్నాయి. మూలక Nb పరిమాణం, (బి) SL Nb-MXenesతో ఇంక్యుబేషన్ తర్వాత సూక్ష్మశైవల కణాలలో ఉన్న సూక్ష్మశైవల సేంద్రీయ భాగాల (C=O మరియు CHx/C–O) మరియు Nb ఆక్సైడ్‌ల రసాయన కూర్పు శాతం, (సి–ఇ) XPS SL Nb2CTx స్పెక్ట్రా యొక్క కూర్పు శిఖరం యొక్క ఫిట్టింగ్ మరియు (ఎఫ్హెచ్) సూక్ష్మశైవల కణాలచే అంతర్గతీకరించబడిన SL Nb4C3Tx MXene.
అందువల్ల, Nb ఆక్సైడ్‌ల రూపంలో శైవల కణాలచే శోషించబడుతుందని మేము ఊహించాము. దీనిని పరీక్షించడానికి, మేము MXenes Nb2CTx మరియు Nb4C3TX మరియు శైవల కణాలపై XPS అధ్యయనాలను నిర్వహించాము. సూక్ష్మశైవలాలు Nb-MXenes మరియు శైవల కణాల నుండి వేరుచేయబడిన MXenesతో జరిపిన పరస్పర చర్య యొక్క ఫలితాలు చిత్రాలు 5bలో చూపబడ్డాయి. ఊహించినట్లుగానే, సూక్ష్మశైవలాల ఉపరితలం నుండి MXeneను తొలగించిన తర్వాత, మేము సూక్ష్మశైవలాల నమూనాలలో Nb 3d శిఖరాలను గుర్తించాము. ఇంక్యుబేట్ చేయబడిన సూక్ష్మశైవలాల నుండి పొందిన Nb2CTx SL (చిత్రం 5c–e) మరియు Nb4C3Tx SL (చిత్రం 5c–e) లతో పొందిన Nb 3d, O 1s, మరియు C 1s స్పెక్ట్రాల ఆధారంగా C=O, CHx/CO, మరియు Nb ఆక్సైడ్‌ల పరిమాణాత్మక నిర్ధారణను లెక్కించాము. చిత్రం 5f–h) MXenes. పట్టిక S1-3 ఫిట్ ఫలితంగా వచ్చిన శిఖర పారామితులు మరియు మొత్తం రసాయన శాస్త్రం యొక్క వివరాలను చూపుతుంది. Nb2CTx SL మరియు Nb4C3Tx SL (పటం 5c, f) యొక్క Nb 3d ప్రాంతాలు ఒక Nb2O5 భాగానికి అనుగుణంగా ఉండటం గమనార్హం. ఇక్కడ, స్పెక్ట్రాలో మేము MXene-సంబంధిత శిఖరాలను కనుగొనలేదు, ఇది సూక్ష్మశైవల కణాలు Nb యొక్క ఆక్సైడ్ రూపాన్ని మాత్రమే శోషిస్తాయని సూచిస్తుంది. అదనంగా, మేము C 1s స్పెక్ట్రమ్‌ను C–C, CHx/C–O, C=O, మరియు –COOH భాగాలతో ఉజ్జాయింపు చేసాము. మేము CHx/C–O మరియు C=O శిఖరాలను సూక్ష్మశైవల కణాల సేంద్రీయ సహకారానికి కేటాయించాము. ఈ సేంద్రీయ భాగాలు వరుసగా Nb2CTx SL మరియు Nb4C3TX SL లలో C 1s శిఖరాలలో 36% మరియు 41% వాటాను కలిగి ఉన్నాయి. తరువాత మేము SL Nb2CTx మరియు SL Nb4C3TX యొక్క O 1s స్పెక్ట్రాలను Nb2O5, సూక్ష్మశైవలాల సేంద్రీయ భాగాలు (CHx/CO), మరియు ఉపరితలంపై శోషించబడిన నీటితో అమర్చాము.
చివరగా, XPS ఫలితాలు Nb ఉనికిని మాత్రమే కాకుండా, దాని రూపాన్ని కూడా స్పష్టంగా సూచించాయి. Nb 3d సిగ్నల్ యొక్క స్థానం మరియు డీకన్వల్యూషన్ ఫలితాల ప్రకారం, Nb అయాన్లు లేదా MXene రూపంలో కాకుండా, కేవలం ఆక్సైడ్‌ల రూపంలో మాత్రమే శోషించబడుతుందని మేము నిర్ధారిస్తున్నాము. అంతేకాకుండా, SL Nb4C3TX MXeneతో పోలిస్తే, SL Nb2CTx నుండి Nb ఆక్సైడ్‌లను గ్రహించడంలో సూక్ష్మశైవల కణాలకు ఎక్కువ సామర్థ్యం ఉందని XPS ఫలితాలు చూపించాయి.
మా Nb శోషణ ఫలితాలు ఆకట్టుకునేలా ఉండి, MXene క్షీణతను గుర్తించడానికి మాకు వీలు కల్పిస్తున్నప్పటికీ, 2D నానోఫ్లేక్స్‌లో సంబంధిత స్వరూప మార్పులను పర్యవేక్షించడానికి అందుబాటులో ఉన్న పద్ధతి ఏదీ లేదు. అందువల్ల, 2D Nb-MXene నానోఫ్లేక్స్ మరియు మైక్రోఆల్గే కణాలలో సంభవించే ఏవైనా మార్పులకు నేరుగా స్పందించగల ఒక అనువైన పద్ధతిని అభివృద్ధి చేయాలని మేము కూడా నిర్ణయించుకున్నాము. ఇక్కడ గమనించాల్సిన ముఖ్యమైన విషయం ఏమిటంటే, పరస్పరం చర్య జరిపే పదార్థాలు ఏదైనా రూపాంతరం, విఘటన లేదా విచ్ఛిన్నతకు గురైతే, అది తుల్య వృత్తాకార వైశాల్యం యొక్క వ్యాసం, గుండ్రదనం, ఫెరెట్ వెడల్పు లేదా ఫెరెట్ పొడవు వంటి ఆకార పారామితులలో మార్పులుగా త్వరగా వ్యక్తమవుతుందని మేము భావిస్తున్నాము. ఈ పారామితులు పొడవైన కణాలను లేదా ద్విమితీయ నానోఫ్లేక్స్‌ను వర్ణించడానికి అనువైనవి కాబట్టి, డైనమిక్ పార్టికల్ షేప్ అనాలిసిస్ ద్వారా వాటిని పర్యవేక్షించడం వల్ల, రిడక్షన్ సమయంలో SL Nb-MXene నానోఫ్లేక్స్ యొక్క స్వరూప రూపాంతరం గురించి మాకు విలువైన సమాచారం లభిస్తుంది.
పొందిన ఫలితాలు పటం 6లో చూపబడ్డాయి. పోలిక కోసం, మేము అసలైన MAX ఫేజ్ మరియు ML-MXenesలను కూడా పరీక్షించాము (SI పటాలు S18 మరియు S19 చూడండి). కణ ఆకారం యొక్క డైనమిక్ విశ్లేషణలో, సూక్ష్మశైవలాలతో పరస్పర చర్య తర్వాత రెండు Nb-MXene SLల యొక్క అన్ని ఆకార పారామితులు గణనీయంగా మారాయని తేలింది. తుల్య వృత్తాకార వైశాల్య వ్యాసం పారామీటర్ (పటం 6a, b) చూపినట్లుగా, పెద్ద నానోఫ్లేక్‌ల భాగం యొక్క తగ్గిన శిఖర తీవ్రత, అవి చిన్న చిన్న శకలాలుగా విచ్ఛిన్నం చెందే ధోరణిని సూచిస్తుంది. పటం 6c, dలో ఫ్లేక్‌ల అడ్డ పరిమాణానికి (నానోఫ్లేక్‌ల పొడవు పెరగడం) సంబంధించిన శిఖరాలలో తగ్గుదల కనిపిస్తుంది, ఇది 2D నానోఫ్లేక్‌లు మరింత కణం లాంటి ఆకారంలోకి రూపాంతరం చెందడాన్ని సూచిస్తుంది. పటం 6e-h వరుసగా ఫెరెట్ యొక్క వెడల్పు మరియు పొడవును చూపుతున్నాయి. ఫెరెట్ వెడల్పు మరియు పొడవు అనేవి ఒకదానికొకటి పూరకమైన పారామితులు, కాబట్టి వాటిని కలిపి పరిగణించాలి. సూక్ష్మశైవలాల సమక్షంలో 2D Nb-MXene నానోఫ్లేక్‌లను ఇంక్యుబేట్ చేసిన తర్వాత, వాటి ఫెరెట్ సహసంబంధ శిఖరాలు స్థానభ్రంశం చెందాయి మరియు వాటి తీవ్రత తగ్గింది. ఈ ఫలితాలను మార్ఫాలజీ, XRF మరియు XPS లతో కలిపి, గమనించిన మార్పులు ఆక్సీకరణతో బలంగా సంబంధం కలిగి ఉన్నాయని మేము నిర్ధారించాము, ఎందుకంటే ఆక్సీకరణ చెందిన MXenes మరింత ముడతలు పడి, శకలాలుగా మరియు గోళాకార ఆక్సైడ్ కణాలుగా విడిపోతాయి69,70.
ఆకుపచ్చ సూక్ష్మశైవలాలతో పరస్పర చర్య తర్వాత MXene పరివర్తన విశ్లేషణ. డైనమిక్ పార్టికల్ ఆకార విశ్లేషణ (ఎ, బి) సమానమైన వృత్తాకార ప్రాంతం యొక్క వ్యాసం, (సి, డి) గుండ్రదనం, (ఇ, ఎఫ్) ఫెరెట్ వెడల్పు మరియు (జి, హెచ్) ఫెరెట్ పొడవు వంటి పారామితులను పరిగణనలోకి తీసుకుంటుంది. ఈ ప్రయోజనం కోసం, రెండు రిఫరెన్స్ సూక్ష్మశైవలాల నమూనాలను ప్రాథమిక SL Nb2CTx మరియు SL Nb4C3Tx MXenes, SL Nb2CTx మరియు SL Nb4C3Tx MXenes, క్షీణించిన సూక్ష్మశైవలాలు, మరియు చికిత్స పొందిన సూక్ష్మశైవలాల SL Nb2CTx మరియు SL Nb4C3Tx MXenes లతో పాటు విశ్లేషించారు. ఎరుపు బాణాలు అధ్యయనం చేయబడిన ద్విమితీయ నానోఫ్లేక్‌ల ఆకార పారామితుల పరివర్తనలను చూపుతాయి.
ఆకార పారామీటర్ విశ్లేషణ చాలా విశ్వసనీయమైనది కాబట్టి, ఇది సూక్ష్మశైవల కణాలలో రూపాత్మక మార్పులను కూడా వెల్లడిస్తుంది. అందువల్ల, మేము స్వచ్ఛమైన సూక్ష్మశైవల కణాల మరియు 2D Nb నానోఫ్లేక్స్‌తో పరస్పర చర్య తర్వాత కణాల యొక్క తుల్య వృత్తాకార వైశాల్య వ్యాసం, గుండ్రదనం మరియు ఫెరెట్ వెడల్పు/పొడవును విశ్లేషించాము. పటం 6a–h శైవల కణాల ఆకార పారామీటర్లలోని మార్పులను చూపుతుంది, దీనికి శిఖర తీవ్రతలో తగ్గుదల మరియు గరిష్టాలు అధిక విలువల వైపుకు మారడం సాక్ష్యంగా ఉన్నాయి. ప్రత్యేకించి, కణ గుండ్రదనం పారామీటర్లు పొడవాటి కణాలలో తగ్గుదల మరియు గోళాకార కణాలలో పెరుగుదలను చూపించాయి (పటం 6a, b). అదనంగా, SL Nb4C3TX MXene (పటం 6f)తో పోలిస్తే SL Nb2CTx MXene (పటం 6e)తో పరస్పర చర్య తర్వాత ఫెరెట్ కణ వెడల్పు అనేక మైక్రోమీటర్లు పెరిగింది. Nb2CTx SRతో పరస్పర చర్య జరిపినప్పుడు సూక్ష్మశైవలాలు Nb ఆక్సైడ్‌లను బలంగా గ్రహించడం దీనికి కారణం కావచ్చని మేము అనుమానిస్తున్నాము. వాటి ఉపరితలానికి Nb రేకులు తక్కువ దృఢంగా అంటుకోవడం వల్ల, కనీస నీడ ప్రభావంతో కణాల పెరుగుదల సాధ్యమవుతుంది.
సూక్ష్మశైవలాల ఆకారం మరియు పరిమాణం యొక్క పారామితులలో మార్పులపై మా పరిశీలనలు ఇతర అధ్యయనాలకు పూరకంగా ఉన్నాయి. ఆకుపచ్చ సూక్ష్మశైవలాలు పర్యావరణ ఒత్తిడికి ప్రతిస్పందనగా కణ పరిమాణం, ఆకారం లేదా జీవక్రియను మార్చడం ద్వారా వాటి స్వరూపాన్ని మార్చుకోగలవు61. ఉదాహరణకు, కణాల పరిమాణాన్ని మార్చడం పోషకాల శోషణను సులభతరం చేస్తుంది71. చిన్న శైవల కణాలు తక్కువ పోషకాలను గ్రహిస్తాయి మరియు పెరుగుదల రేటు తక్కువగా ఉంటుంది. దీనికి విరుద్ధంగా, పెద్ద కణాలు ఎక్కువ పోషకాలను వినియోగించుకుంటాయి, అవి తరువాత కణాంతర్గతంగా నిల్వ చేయబడతాయి72,73. ట్రైక్లోసాన్ అనే శిలీంధ్రనాశకం కణ పరిమాణాన్ని పెంచుతుందని మచాడో మరియు సోయరెస్ కనుగొన్నారు. వారు శైవలాల ఆకారంలో తీవ్రమైన మార్పులను కూడా కనుగొన్నారు74. అదనంగా, యిన్ మరియు ఇతరులు9 కూడా రెడ్యూస్డ్ గ్రాఫేన్ ఆక్సైడ్ నానోకాంపోజిట్‌లకు గురైన తర్వాత శైవలాలలో స్వరూప మార్పులను వెల్లడించారు. అందువల్ల, సూక్ష్మశైవలాల పరిమాణం/ఆకారం పారామితులలో మార్పులు MXene ఉనికి వలనే సంభవిస్తున్నాయని స్పష్టమవుతోంది. పరిమాణం మరియు ఆకారంలో ఈ మార్పు పోషకాల గ్రహణంలో మార్పులను సూచిస్తుంది కాబట్టి, కాలక్రమేణా పరిమాణం మరియు ఆకార పారామితులను విశ్లేషించడం ద్వారా Nb-MXenes సమక్షంలో సూక్ష్మశైవలాలు నియోబియం ఆక్సైడ్‌ను గ్రహించడాన్ని ప్రదర్శించవచ్చని మేము విశ్వసిస్తున్నాము.
అంతేకాకుండా, శైవలాల సమక్షంలో MXenes ఆక్సీకరణ చెందగలవు. నానో-TiO2 మరియు Al2O376 లకు గురైన ఆకుపచ్చ శైవలాల స్వరూపం ఏకరీతిగా లేదని దలై మరియు ఇతరులు75 గమనించారు. మా పరిశీలనలు ప్రస్తుత అధ్యయనాన్ని పోలి ఉన్నప్పటికీ, ఇది నానోపార్టికల్స్‌కు కాకుండా 2D నానోఫ్లేక్స్ సమక్షంలో MXene విచ్ఛిన్న ఉత్పత్తుల పరంగా బయోరిమీడియేషన్ ప్రభావాల అధ్యయనానికి మాత్రమే సంబంధితమైనది. MXenes లోహ ఆక్సైడ్‌లుగా విచ్ఛిన్నం కాగలవు కాబట్టి,31,32,77,78 మా Nb నానోఫ్లేక్స్ కూడా సూక్ష్మశైవల కణాలతో సంకర్షణ చెందిన తర్వాత Nb ఆక్సైడ్‌లను ఏర్పరుస్తాయని భావించడం సహేతుకమైనది.
ఆక్సీకరణ ప్రక్రియ ఆధారిత విఘటన యంత్రాంగం ద్వారా 2D-Nb నానోఫ్లేక్‌ల క్షయకరణను వివరించడానికి, మేము హై-రిజల్యూషన్ ట్రాన్స్‌మిషన్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (HRTEM) (Fig. 7a,b) మరియు ఎక్స్-రే ఫోటోఎలక్ట్రాన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (XPS) (Fig. 7c-i మరియు పట్టికలు S4-5) ఉపయోగించి అధ్యయనాలు నిర్వహించాము. ఈ రెండు పద్ధతులు 2D పదార్థాల ఆక్సీకరణను అధ్యయనం చేయడానికి అనుకూలంగా ఉంటాయి మరియు ఒకదానికొకటి పూరకంగా ఉంటాయి. HRTEM ద్విమితీయ పొరల నిర్మాణాల క్షీణతను మరియు తదనంతరం మెటల్ ఆక్సైడ్ నానోపార్టికల్స్ ఆవిర్భావాన్ని విశ్లేషించగలదు, అయితే XPS ఉపరితల బంధాలకు సున్నితంగా ఉంటుంది. ఈ ప్రయోజనం కోసం, మేము మైక్రోఆల్గే కణ విక్షేపణల నుండి సంగ్రహించిన 2D Nb-MXene నానోఫ్లేక్‌లను, అంటే మైక్రోఆల్గే కణాలతో పరస్పర చర్య తర్వాత వాటి ఆకారాన్ని పరీక్షించాము (Fig. 7 చూడండి).
ఆక్సీకరణం చెందిన (ఎ) SL Nb2CTx మరియు (బి) SL Nb4C3Tx MXenes యొక్క స్వరూపాన్ని చూపే HRTEM చిత్రాలు, (సి) క్షయకరణం తర్వాత ఆక్సైడ్ ఉత్పత్తుల కూర్పును చూపే XPS విశ్లేషణ ఫలితాలు, (డి–ఎఫ్) SL Nb2CTx మరియు (జి–ఐ) ఆకుపచ్చ సూక్ష్మశైవలాలతో మరమ్మత్తు చేయబడిన Nb4C3Tx SL యొక్క XPS స్పెక్ట్రాలోని భాగాల శిఖర సరిపోలిక.
HRTEM అధ్యయనాలు రెండు రకాల Nb-MXene నానోఫ్లేక్‌ల ఆక్సీకరణను నిర్ధారించాయి. నానోఫ్లేక్‌లు వాటి ద్విమితీయ రూపాన్ని కొంతవరకు నిలుపుకున్నప్పటికీ, ఆక్సీకరణ ఫలితంగా MXene నానోఫ్లేక్‌ల ఉపరితలంపై అనేక నానోకణాలు ఏర్పడ్డాయి (పటం 7a,b చూడండి). c Nb 3d మరియు O 1s సిగ్నల్స్‌పై చేసిన XPS విశ్లేషణ, రెండు సందర్భాలలోనూ Nb ఆక్సైడ్‌లు ఏర్పడ్డాయని సూచించింది. పటం 7cలో చూపినట్లుగా, 2D MXene Nb2CTx మరియు Nb4C3TXలలోని Nb 3d సిగ్నల్స్, NbO మరియు Nb2O5 ఆక్సైడ్‌ల ఉనికిని సూచిస్తుండగా, O 1s సిగ్నల్స్ 2D నానోఫ్లేక్ ఉపరితలం యొక్క ఫంక్షనలైజేషన్‌కు సంబంధించిన O–Nb బంధాల సంఖ్యను సూచిస్తున్నాయి. Nb-C మరియు Nb3+-Oలతో పోలిస్తే Nb ఆక్సైడ్ భాగస్వామ్యం అధికంగా ఉందని మేము గమనించాము.
పటం 7g–i, సూక్ష్మశైవల కణాల నుండి వేరుచేయబడిన SL Nb2CTx (పటాలు 7d–f చూడండి) మరియు SL Nb4C3TX MXene యొక్క Nb 3d, C 1s, మరియు O 1s ల XPS స్పెక్ట్రాలను చూపుతున్నాయి. Nb-MXenes శిఖర పారామితుల వివరాలు వరుసగా పట్టికలు S4–5లో అందించబడ్డాయి. మేము మొదట Nb 3d యొక్క కూర్పును విశ్లేషించాము. సూక్ష్మశైవల కణాలచే శోషించబడిన Nbకు భిన్నంగా, సూక్ష్మశైవల కణాల నుండి వేరుచేయబడిన MXeneలో, Nb2O5 కాకుండా, ఇతర భాగాలు కూడా కనుగొనబడ్డాయి. Nb2CTx SLలో, మేము Nb3+-O యొక్క వాటాను 15% పరిమాణంలో గమనించాము, అయితే మిగిలిన Nb 3d స్పెక్ట్రం Nb2O5 (85%) చే ఆధిపత్యం చెలాయించబడింది. అదనంగా, SL Nb4C3TX నమూనాలో Nb-C (9%) మరియు Nb2O5 (91%) భాగాలు ఉన్నాయి. ఇక్కడ Nb-C, Nb4C3Tx SR లోని మెటల్ కార్బైడ్ యొక్క రెండు లోపలి పరమాణు పొరల నుండి వస్తుంది. అంతర్గతీకరించిన నమూనాలలో చేసినట్లే, మేము C 1s స్పెక్ట్రాను నాలుగు వేర్వేరు భాగాలకు మ్యాప్ చేస్తాము. ఊహించినట్లుగానే, C 1s స్పెక్ట్రంలో గ్రాఫైటిక్ కార్బన్ ఆధిపత్యం వహించగా, దాని తర్వాత సూక్ష్మశైవల కణాల నుండి వచ్చే సేంద్రీయ కణాల (CHx/CO మరియు C=O) సహకారం ఉంది. అదనంగా, O 1s స్పెక్ట్రంలో, మేము సూక్ష్మశైవల కణాల సేంద్రీయ రూపాలు, నియోబియం ఆక్సైడ్ మరియు శోషించబడిన నీటి సహకారాన్ని గమనించాము.
అదనంగా, పోషక మాధ్యమంలో మరియు/లేదా సూక్ష్మశైవల కణాలలో రియాక్టివ్ ఆక్సిజన్ స్పీసీస్ (ROS) ఉండటంతో Nb-MXenes విచ్ఛిన్నం ముడిపడి ఉందో లేదో మేము పరిశోధించాము. ఈ లక్ష్యంతో, మేము కల్చర్ మాధ్యమంలో సింగిల్ ఆక్సిజన్ (1O2) స్థాయిలను మరియు సూక్ష్మశైవలాలలో యాంటీఆక్సిడెంట్‌గా పనిచేసే థియోల్ అయిన కణాంతర్గత గ్లూటాథియోన్‌ను అంచనా వేశాము. ఫలితాలు SI (పటాలు S20 మరియు S21)లో చూపబడ్డాయి. SL Nb2CTx మరియు Nb4C3TX MXenes కలిగిన కల్చర్‌లలో 1O2 పరిమాణం తగ్గడం గమనించబడింది (పటం S20 చూడండి). SL Nb2CTx విషయంలో, MXene 1O2 సుమారు 83%కి తగ్గింది. SL, Nb4C3TX ఉపయోగించే సూక్ష్మశైవల కల్చర్‌లలో 1O2 ఇంకా ఎక్కువగా, 73%కి తగ్గింది. ఆసక్తికరంగా, 1O2లోని మార్పులు గతంలో గమనించిన నిరోధక-ఉత్తేజక ప్రభావం (పటం 3 చూడండి) వలెనే అదే ధోరణిని చూపించాయి. ప్రకాశవంతమైన కాంతిలో ఇంక్యుబేషన్ ఫోటోఆక్సిడేషన్‌ను మార్చగలదని వాదించవచ్చు. అయితే, నియంత్రణ విశ్లేషణ ఫలితాలు ప్రయోగం అంతటా 1O2 స్థాయిలు దాదాపు స్థిరంగా ఉన్నాయని చూపించాయి (పటం S22). కణాంతర్గత ROS స్థాయిల విషయంలో కూడా, మేము అదే తగ్గుదల ధోరణిని గమనించాము (పటం S21 చూడండి). ప్రారంభంలో, Nb2CTx మరియు Nb4C3Tx SLల సమక్షంలో పెంచిన సూక్ష్మశైవల కణాలలో ROS స్థాయిలు, స్వచ్ఛమైన సూక్ష్మశైవల కల్చర్లలో కనిపించే స్థాయిలను మించిపోయాయి. అయితే, చివరికి, సూక్ష్మశైవలాలు రెండు Nb-MXeneల సమక్షానికి అలవాటుపడినట్లు కనిపించింది, ఎందుకంటే SL Nb2CTx మరియు Nb4C3TXలతో టీకాలు వేసిన స్వచ్ఛమైన సూక్ష్మశైవల కల్చర్లలో కొలిచిన స్థాయిలతో పోలిస్తే ROS స్థాయిలు వరుసగా 85% మరియు 91%కి తగ్గాయి. ఇది, కేవలం పోషక మాధ్యమంలో కంటే కాలక్రమేణా Nb-MXene సమక్షంలో సూక్ష్మశైవలాలు మరింత సౌకర్యవంతంగా భావిస్తాయని సూచించవచ్చు.
సూక్ష్మశైవలాలు కిరణజన్య సంయోగక్రియ జరిపే జీవుల యొక్క ఒక వైవిధ్యమైన సమూహం. కిరణజన్య సంయోగక్రియ సమయంలో, అవి వాతావరణంలోని కార్బన్ డయాక్సైడ్ (CO2)ను సేంద్రీయ కార్బన్‌గా మారుస్తాయి. కిరణజన్య సంయోగక్రియ యొక్క ఉత్పత్తులు గ్లూకోజ్ మరియు ఆక్సిజన్79. ఈ విధంగా ఏర్పడిన ఆక్సిజన్, Nb-MXenes యొక్క ఆక్సీకరణలో కీలక పాత్ర పోషిస్తుందని మేము భావిస్తున్నాము. దీనికి ఒక సంభావ్య వివరణ ఏమిటంటే, Nb-MXene నానోఫ్లేక్స్‌కు వెలుపల మరియు లోపల ఆక్సిజన్ యొక్క తక్కువ మరియు అధిక పాక్షిక పీడనాల వద్ద భేదాత్మక వాయుప్రసరణ పరామితి ఏర్పడుతుంది. దీని అర్థం, ఆక్సిజన్ యొక్క విభిన్న పాక్షిక పీడనాలు ఉన్న ప్రాంతాలు ఎక్కడైతే ఉంటాయో, అక్కడ అత్యల్ప స్థాయి ఉన్న ప్రాంతం యానోడ్‌గా ఏర్పడుతుంది80, 81, 82. ఇక్కడ, సూక్ష్మశైవలాలు MXene ఫ్లేక్స్ ఉపరితలంపై భేదాత్మకంగా వాయుప్రసరణ జరిగే కణాల సృష్టికి దోహదం చేస్తాయి, ఇవి వాటి కిరణజన్య సంయోగక్రియ లక్షణాల కారణంగా ఆక్సిజన్‌ను ఉత్పత్తి చేస్తాయి. ఫలితంగా, జీవక్షయం ఉత్పత్తులు (ఈ సందర్భంలో, నియోబియం ఆక్సైడ్‌లు) ఏర్పడతాయి. మరొక అంశం ఏమిటంటే, సూక్ష్మశైవలాలు సేంద్రీయ ఆమ్లాలను ఉత్పత్తి చేయగలవు, అవి నీటిలోకి విడుదలవుతాయి83,84. అందువల్ల, ఒక ప్రతికూల వాతావరణం ఏర్పడుతుంది, తద్వారా Nb-MXenes మారుతుంది. అదనంగా, సూక్ష్మశైవలాలు కార్బన్ డయాక్సైడ్‌ను గ్రహించడం వల్ల పర్యావరణం యొక్క pHని క్షారంగా మార్చగలవు, ఇది కూడా తుప్పు పట్టడానికి కారణమవుతుంది79.
మరీ ముఖ్యంగా, మేము పొందిన ఫలితాలను అర్థం చేసుకోవడానికి మా అధ్యయనంలో ఉపయోగించిన చీకటి/కాంతి ఫోటోపీరియడ్ చాలా కీలకం. ఈ అంశాన్ని జెమాయ్-జోగ్లాచే మరియు ఇతరులు 85 తమ రచనలో వివరంగా వివరించారు. వారు పోర్ఫిరిడియం పర్పురియం అనే ఎర్ర సూక్ష్మశైవలం వల్ల కలిగే బయోఫౌలింగ్‌తో సంబంధం ఉన్న బయోకోరోషన్‌ను ప్రదర్శించడానికి ఉద్దేశపూర్వకంగా 12/12 గంటల ఫోటోపీరియడ్‌ను ఉపయోగించారు. బయోకోరోషన్ లేకుండా పొటెన్షియల్ యొక్క పరిణామంతో ఫోటోపీరియడ్‌కు సంబంధం ఉందని, ఇది సుమారు 24:00 గంటల సమయంలో మిథ్యా-ఆవర్తన డోలనాలుగా వ్యక్తమవుతుందని వారు చూపించారు. ఈ పరిశీలనలను డౌలింగ్ మరియు ఇతరులు 86 ధృవీకరించారు. వారు అనబేనా అనే సయనోబాక్టీరియా యొక్క కిరణజన్య సంయోగక్రియ బయోఫిల్మ్‌లను ప్రదర్శించారు. కాంతి చర్య కింద కరిగిన ఆక్సిజన్ ఏర్పడుతుంది, ఇది స్వేచ్ఛా బయోకోరోషన్ పొటెన్షియల్‌లో మార్పు లేదా హెచ్చుతగ్గులతో సంబంధం కలిగి ఉంటుంది. కాంతి దశలో బయోకోరోషన్ కోసం స్వేచ్ఛా పొటెన్షియల్ పెరుగుతుంది మరియు చీకటి దశలో తగ్గుతుంది అనే వాస్తవం ద్వారా ఫోటోపీరియడ్ యొక్క ప్రాముఖ్యత నొక్కి చెప్పబడింది. కిరణజన్య సంయోగక్రియ జరిపే సూక్ష్మశైవలాలు ఉత్పత్తి చేసే ఆక్సిజన్ కారణంగా ఇది జరుగుతుంది, ఇది ఎలక్ట్రోడ్‌ల దగ్గర ఏర్పడే పాక్షిక పీడనం ద్వారా కాథోడిక్ చర్యను ప్రభావితం చేస్తుంది87.
అదనంగా, Nb-MXenesతో పరస్పర చర్య తర్వాత సూక్ష్మశైవల కణాల రసాయన కూర్పులో ఏవైనా మార్పులు సంభవించాయో లేదో తెలుసుకోవడానికి ఫోరియర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మ్ ఇన్‌ఫ్రారెడ్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ (FTIR) నిర్వహించబడింది. ఈ పొందిన ఫలితాలు సంక్లిష్టమైనవి మరియు మేము వాటిని SIలో (MAX దశ మరియు ML MXenes ఫలితాలతో సహా చిత్రాలు S23-S25) అందిస్తున్నాము. సంక్షిప్తంగా, సూక్ష్మశైవలాల యొక్క పొందిన రిఫరెన్స్ స్పెక్ట్రా ఈ జీవుల రసాయన లక్షణాల గురించి మాకు ముఖ్యమైన సమాచారాన్ని అందిస్తాయి. ఈ అత్యంత సంభావ్య కంపనాలు 1060 cm-1 (CO), 1540 cm-1, 1640 cm-1 (C=C), 1730 cm-1 (C=O), 2850 cm-1, 2920 cm-1 (C–H) మరియు 3280 cm-1 (O–H) పౌనఃపున్యాల వద్ద ఉన్నాయి. SL Nb-MXenes కోసం, మేము CH-బంధం సాగే సంకేతాన్ని కనుగొన్నాము, ఇది మా మునుపటి అధ్యయనం38తో స్థిరంగా ఉంది. అయితే, C=C మరియు CH బంధాలకు సంబంధించిన కొన్ని అదనపు శిఖరాలు అదృశ్యమయ్యాయని మేము గమనించాము. SL Nb-MXenesతో పరస్పర చర్య కారణంగా సూక్ష్మశైవలాల రసాయన కూర్పులో స్వల్ప మార్పులు సంభవించవచ్చని ఇది సూచిస్తుంది.
సూక్ష్మశైవలాల జీవరసాయన శాస్త్రంలో సాధ్యమయ్యే మార్పులను పరిగణనలోకి తీసుకున్నప్పుడు, నియోబియం ఆక్సైడ్ వంటి అకర్బన ఆక్సైడ్‌ల చేరడాన్ని పునఃపరిశీలించాల్సిన అవసరం ఉంది59. ఇది కణ ఉపరితలం ద్వారా లోహాలను గ్రహించడం, వాటిని సైటోప్లాజంలోకి రవాణా చేయడం, కణాంతర్గత కార్బాక్సిల్ సమూహాలతో వాటి అనుబంధం మరియు సూక్ష్మశైవలాల పాలిఫాస్ఫోజోములలో వాటి చేరడంలో పాల్గొంటుంది20,88,89,90. అదనంగా, సూక్ష్మశైవలాలు మరియు లోహాల మధ్య సంబంధం కణాల క్రియాత్మక సమూహాల ద్వారా నిర్వహించబడుతుంది. ఈ కారణంగా, శోషణ అనేది సూక్ష్మశైవలాల ఉపరితల రసాయన శాస్త్రంపై కూడా ఆధారపడి ఉంటుంది, ఇది చాలా సంక్లిష్టమైనది9,91. సాధారణంగా, ఊహించినట్లుగానే, Nb ఆక్సైడ్ శోషణ కారణంగా ఆకుపచ్చ సూక్ష్మశైవలాల రసాయన కూర్పు కొద్దిగా మారింది.
ఆసక్తికరంగా, సూక్ష్మశైవలాలలో గమనించిన ప్రారంభ నిరోధం కాలక్రమేణా పునరుద్ధరించబడింది. మేము గమనించినట్లుగా, సూక్ష్మశైవలాలు ప్రారంభ పర్యావరణ మార్పును అధిగమించి, చివరికి సాధారణ పెరుగుదల రేట్లకు తిరిగి వచ్చాయి మరియు పెరిగాయి కూడా. జీటా పొటెన్షియల్ అధ్యయనాలు పోషక మాధ్యమంలో ప్రవేశపెట్టినప్పుడు అధిక స్థిరత్వాన్ని చూపుతాయి. అందువల్ల, క్షయకరణ ప్రయోగాలంతటా సూక్ష్మశైవల కణాలు మరియు Nb-MXene నానోఫ్లేక్స్‌ల మధ్య ఉపరితల పరస్పర చర్య కొనసాగింది. మా తదుపరి విశ్లేషణలో, సూక్ష్మశైవలాల ఈ అద్భుతమైన ప్రవర్తనకు ఆధారమైన ప్రధాన కార్యాచరణ విధానాలను మేము సంగ్రహిస్తాము.
సూక్ష్మశైవలాలు Nb-MXeneలకు అంటుకునే ధోరణిని కలిగి ఉన్నాయని SEM పరిశీలనలు చూపించాయి. డైనమిక్ ఇమేజ్ విశ్లేషణను ఉపయోగించి, ఈ ప్రభావం ద్విమితీయ Nb-MXene నానోఫ్లేక్‌లను మరింత గోళాకార కణాలుగా మార్చడానికి దారితీస్తుందని మేము నిర్ధారించాము, తద్వారా నానోఫ్లేక్‌ల విచ్ఛిన్నం వాటి ఆక్సీకరణతో ముడిపడి ఉందని నిరూపించాము. మా పరికల్పనను పరీక్షించడానికి, మేము అనేక పదార్థ మరియు జీవరసాయన అధ్యయనాలను నిర్వహించాము. పరీక్షించిన తరువాత, నానోఫ్లేక్‌లు క్రమంగా ఆక్సీకరణ చెంది NbO మరియు Nb2O5 ఉత్పత్తులుగా విచ్ఛిన్నమయ్యాయి, ఇవి ఆకుపచ్చ సూక్ష్మశైవలాలకు ఎటువంటి ముప్పును కలిగించలేదు. FTIR పరిశీలనను ఉపయోగించి, 2D Nb-MXene నానోఫ్లేక్‌ల సమక్షంలో ఇంక్యుబేట్ చేయబడిన సూక్ష్మశైవలాల రసాయన కూర్పులో మేము ఎటువంటి ముఖ్యమైన మార్పులను కనుగొనలేదు. సూక్ష్మశైవలాల ద్వారా నియోబియం ఆక్సైడ్ శోషించబడే అవకాశాన్ని పరిగణనలోకి తీసుకుని, మేము ఎక్స్-రే ఫ్లోరోసెన్స్ విశ్లేషణను నిర్వహించాము. ఈ ఫలితాలు, అధ్యయనం చేయబడిన సూక్ష్మశైవలాలు నియోబియం ఆక్సైడ్‌లను (NbO మరియు Nb2O5) ఆహారంగా తీసుకుంటాయని స్పష్టంగా చూపిస్తున్నాయి, ఇవి అధ్యయనం చేయబడిన సూక్ష్మశైవలాలకు విషరహితమైనవి.