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Innerlich gerührt: Mikromotoren als Mischer für effektiveren oxidativen Abbau chemischer Kampfstoffe

19.11.2013

In entlegenen Gegenden chemische Kampfstoffe rasch und effektiv in nicht-toxische Produkte umzusetzen, ist eine der herausforderndsten Aufgaben bei der Zerstörung von Massenvernichtungswaffen. Wie Mikromotoren mit Eigenantrieb die oxidative Neutralisierung von Nervengiften beschleunigen können, indem sie die Entgiftungslösung intensiv durchmischen, beschreibt ein Team von der University of California in San Diego jetzt in der Zeitschrift Angewandte Chemie.

Umweltfreundliche Verfahren unter Verwendung von Wasserstoffperoxid und einem Aktivator (z.B. Natriumhydrogencarbonat) zum Abbau von Kampfstoffen, wie Sarin, VX, Soman und Senfgas, haben kürzlich die bisherigen chlorbasierten Methoden abgelöst. Allerdings benötigen sie meist sehr hohe Peroxidkonzentrationen, lange Reaktionszeiten und eine intensive mechanische Durchmischung – extrem problematisch bei der Eliminierung von Beständen chemischer Kampfstoffe in abgelegenen Gegenden oder feindlichen Lagern.

Das Team um Joseph Wang hat nun eine neuartige Strategie entwickelt, die auf einer Durchmischung der Entgiftungslösung mit Mikromotoren mit Eigenantrieb beruht. Bei den Motoren handelt es sich um winzige konische Röhrchen aus einer Doppelschicht, bei der sich außen ein Polymer, innen eine Platinschicht befindet. Wasserstoffperoxid wirkt in diesem Ansatz nicht nur als Oxidationsmittel für die Kampfstoffe, sondern gleichzeitig als Treibstoff für die Mikromotoren. Indem das Reagenz an der inneren Platinschicht katalytisch zersetzt wird, entstehen Sauerstoffbläschen, die aus den hinteren (weiteren) Enden der Röhrchen austreten und sie beschleunigen. Die Bewegung der kleinen Motoren durch die Flüssigkeit sorgt zusammen mit den Gasbläschen für eine effiziente Selbstdurchmischung der Entgiftungslösung. Auf diese Weise werden der Umsatz und die Geschwindigkeit der Dekontaminationsreaktion ganz erheblich gesteigert, ohne dass hohe Peroxidkonzentrationen notwendig sind.

Anhand des Abbaus verschiedener Organophosphat-Pestizide, die von ihrer chemischen Struktur her Organophosphat-Nervengiften entsprechen, konnte Wangs Team die Leistungsfähigkeit der neuen Methode belegen. In einer Beispielreaktion erzeugten 1,5 Millionen Mikromotoren in einem Volumen von 15 ml etwa die gleiche Durchmischung wie ein Magnetrührer mit 200 Umdrehungen pro Minute.

Das Konzept einer Durchmischung durch die Bewegung selbstangetriebener Mikromotoren ist nicht auf die Entgiftung chemischer Kampfstoffe beschränkt, sondern könnte generell zur Beschleunigung chemischer Reaktionen eingesetzt werden, beispielsweise in Mikroreaktoren, wo eine mechanische Vermischung meist schwierig ist.

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