Badania

Polacy rozwiązali problem z dzieleniem nanorurek

Opublikowano: 2019-02-10

forum akademickie
Źródło: Facebook/FNP

Polscy naukowcy rozwiązali problem, z jakim badacze nanomateriałów węglowych zmagają się w laboratoriach całego świata. Sięgając po metodę sprzed ponad 150 lat oddzielili wybrany rodzaj nanorurek z wielu innych, które różnią się od siebie średnicą o długość promienia atomu wodoru.

Autorem szybszej i tańszej niż dotychczas stosowane metody jest dr hab. inż. Dawid Janas, chemik z Politechniki Śląskiej.  Jak tłumaczy, nanorurka – zbudowana z węgla i pusta w środku – powstaje poprzez zwinięcie płaszczyzny grafenu, jak kartki papieru, w maleńki rulon. Sęk w tym, że taką kartkę można zwinąć na wiele różnych sposobów pod różnym kątem. Wówczas nanorurki radykalnie różnią się od siebie swoimi właściwościami.

– Istnieją nanorurki metaliczne, które lepiej przewodzą prąd niż miedź. Inny typ jest pożądany przy budowie tranzystorów. Zatem ktoś, kto chce zbudować tranzystor o określonych parametrach, musi wybrać nanorurki półprzewodnikowe o konkretnym sposobie zwinięcia. Nawet delikatna różnica w sposobie zwinięcia powoduje różnice we właściwościach pojedynczych nanorurek – mówi dr Janas.

Inne obiecujące, choć – jak zaznacza naukowiec – kontrowersyjne na razie zastosowanie nanorurek analizują uczeni ze Stanów Zjednoczonych. Jest ono związane z ich właściwościami optycznymi. Otóż jeśli podzielić nanorurki na różne typy, to będą one kolorowe – fioletowe, żółte, zielone – choć przecież zbudowane są z węgla. Stąd można z ich pomocą obrazować procesy zachodzące w żywym organizmie. Wyselekcjonowane typy nanorurek węglowych w roztworze są idealnymi kontrastami do obrazowania organów.

– W badaniach prowadzonych w klinice w Nowym Jorku roztwory nanorurek są wstrzykiwane do krwi szczurów, co pozwala oceniać stan choroby i funkcjonowanie organizmu. Nie dość, że potrzeba dużo mniejszego stężenia, żeby zobrazować wnętrze organu, to badania pokazały, że jest to mniej toksyczne niż obecnie stosowane substancje. W klinice nowotworowej nie ma dobrych rozwiązań do obrazowania wszystkich guzów. W tym przypadku cokolwiek jest ratunkiem dla chorych. Dodatkowo możliwe jest skierowanie nanorurek dla bardzo czułego obrazowania danej lokalizacji – twierdzi chemik z Politechniki Śląskiej.

Kiedy naukowcy syntezują, czyli „produkują” nanorurki w swoich piecach, otrzymują od 30 do 50 ich typów w jednym materiale. Nanorurki są bardzo małe, ich średnica jest sto tysięcy razy mniejsza niż ludzki włos i nie da się kontrolować produkcji w taki sposób, żeby powstały identyczne.

– Nanorurki widziane gołym okiem wyglądają jak czarna mąka – porównuje profesor PŚ. – Wyobraźmy sobie, że zmieszaliśmy ze sobą różne gatunki mąki, a jest ich przynajmniej dwadzieścia. Mieszamy zatem w różnych proporcjach trochę tortowej, nieco tej do pizzy, więcej grahamu, mniej białej – analogicznie powstają nanorurki. Z takiej mieszaniny nawet kilku rodzajów mąki żaden wypiek by nam nie wyszedł. Tak jest i tu, dlatego powstają metody, żeby dzielić te nanorurki na poszczególne typy – objaśnia.

Ponieważ czarny proszek jest jednorodny, a nanorurek nie można wydobyć jakimiś nanoszczypcami, to dzielenie przysparza naukowcom nie lada kłopotu. Dotychczasowe metody wymagały bardzo drogiego sprzętu – wirówek lub urządzeń elektrycznych zdolnych wychwycić minimalne różnice w wielkości nanorurek i sposobie zwinięcia. Kosztowne są też stosowane odczynniki chemiczne, a proces oddzielania trzeba robić w wielu, na przykład w kilkunastu, etapach. Pod tym względem byłoby to trudne do zastosowania w przemyśle, pomijając już sam fakt niskiej wydajności – w kolejnych krokach pozostaje bardzo niewiele materiału, na którym zależy badaczowi.

– Nasz pomysł bazuje na metodzie z 1885 roku opracowanej przez holenderskiego uczonego Martinusa Beijerincka. Kiedy wymieszał on ze sobą dwa roztwory wodne – agaru i żelatyny – bardzo się zdziwił, że tworzą one dwie osobne fazy. Analogicznie, jak rozlewamy olej na wodzie, one separują się od siebie. Od tamtej pory było to rozwijane przez biologów molekularnych, w ten sposób otrzymuje się enzymy, białka. Metodę tę także wykorzystuje się w farmaceutyce do oczyszczania substancji leczniczych – tłumaczy.

Tę zdolność do tworzenia dwóch warstw w roztworze (tzw. system dwufazowy) można wykorzystać do podziału nanorurek węglowych. Odpowiednie odczynniki dodane do takiego układu powodują, że połowa nanorurek „idzie” do góry, a połowa do dołu. Później kroku znów rozkładają się po równo w dole i w górze, aż po kilku krokach można uzyskać wybrany typ. Dr Janas i członkowie jego grupy badawczej chcieli zoptymalizować ten wieloetapowy proces. Postawili sobie za cel, że nauczą się selekcjonować nanorurki w jednym kroku. Czyli – zamiast dzielić pół na pół – spowodować, że wszystkie pójdą do góry, a tylko jedna wybrana grupa do dołu. Ustalili, że dolną fazę powinien stanowić wodny roztwór dekstranu (związku złożonego z cukrów), a na górze musi znaleźć się poli(glikol etylenowy). Wprowadzili jeszcze jeden związek chemiczny, który wpływa na „wędrówkę” nanorurek w roztworze. Chciano zmusić wybrany typ nanorurek, żeby wybrał określoną fazę, a całą resztę – aby porzuciła tego samotnika.

– Okazało się, że kluczowym związkiem jest amoniak. Albo hydrazyna, której cząsteczka jest jakby dwoma połączonymi ze sobą cząsteczkami amoniaku. Dodaliśmy delikatną ilość 75 mikrolitrów amoniaku i uczyliśmy się sterować podziałem. Odpowiednie stężenie amoniaku powoduje, że umiemy dany typ nanorurek z tej grupy wyselekcjonować w jednym kroku. Wszystkie inne idą sobie do góry, a my możemy wyselekcjonować nasz pożądany typ – deklaruje.

Polscy naukowcy mogą zadawać sobie różne typy nanorurek do wyselekcjonowania, nawet te będące w mniejszości. Skutecznie udawało się uzyskiwać nawet taki typ, który stanowił zaledwie 6 proc. całej mieszaniny.

– To jest tak precyzyjny system, że pozwala oddzielić od siebie nanorurki, których średnice różnią się od siebie tylko o jedną dziesiątą nanometra – to jest właściwie promień atomu wodoru! Okazuje się, że odpowiednie dopasowanie złożonego systemu odczynników pozwala nam tak precyzyjnie zadziałać, że ten nasz pożądany typ nanorurek znajduje się już tylko w jednej fazie – mówi z dumą główny autor publikacji, która ukazała się w Scientific Report.

Dr Janas przypuszcza, że skoro da się tak bardzo zwiększyć precyzję podziału w przypadku nanorurek węglowych, to system ten mógłby pozwolić również na precyzyjne oczyszczanie leków – oszczędzając kilka kroków, co się przekłada na niższy koszt. To jedno z możliwych rozwinięć tej technologii w przyszłości.

Autorska metoda chemików z Politechniki Śląskiej spotkała się z zainteresowaniem uczonych w Japonii, w Chinach i w Stanach Zjednoczonych. Nawiązano współpracę z narodowym laboratorium Los Alamos w USA, które zajmuje się badaniem właściwości optycznych nanorurek. Tamtejsi badacze wiążą duże nadzieje z usprawnieniem procedury selekcji nanorurek. Liczą na to, że otworzy ona możliwość zrozumienia świata nano szybciej i łatwiej, skoro wystarczy 5 związków chemicznych i blender.

Źródło: Nauka w Polsce

Publikacja w Scientific Report

 


PARTNERZY

forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie
forum akademickie