Dodano: 01 luty 2019r.

Śląscy naukowcy rozwiązali problem selekcji nanorurek przy pomocy metody sprzed 150 lat

Badacze z Politechniki Śląskiej opracowali rozwiązanie podstawowego problemu związanego z nanomateriałami węglowymi. Nowa metoda opiera się na koncepcji sprzed 150 lat i dodatkowo jest szybka i tania.

 

Brak niezbędnego stopnia kontroli podczas procesu produkcji nad strukturą nanorurki węglowej pozostaje głównym czynnikiem utrudniającym dokonanie znacznych postępów przy stosowaniu tego materiału. W ostatnich latach pojawiło się wiele obiecujących metod rozwiązania tego problemu poprzez sortowanie nanorurek o odpowiednich parametrach. Jednak wszystkie mają niestety charakter wieloetapowy.

Naukowcy z Politechniki Śląskiej zaproponowali rozwiązanie jednoetapowe i to przy użyciu metody sprzed ponad 150 lat. Dzięki temu podejściu można oddzielić nanorurki o pożądanych parametrach z tłumu innych. Dodatkowo opracowana technika jest szybka, tania i stosunkowo prosta. By ją zastosować wystarczy 5 związków chemicznych i blender.

Wyniki badań zostały opublikowane na łamach „Scientific Reports”.

 

W procesie produkcji powstaje około 30-50 różnych typów nanorurek w jednym materiale. Niestety obecnie nie ma takiego procesu wytwarzania nanorurek, dzięki któremu powstawałyby identyczne struktury. Co najwyżej można kontrolować proces produkcji w taki sposób, by około połowa spełniała zadane warunki.

Dlatego niezbędny jest proces selekcji, by z czarnego proszku, bo tak wyglądają nanorurki widziane gołym okiem, wyłowić te odpowiednie. Sytuacji nie poprawia fakt, że nanorurki są niezwykle małe. Ich średnica jest 100 razy mniejsza od ludzkiego włosa.

- Nanorurka jest zbudowana z węgla i pusta w środku. Powstaje poprzez zwinięcie płaszczyzny grafenu, jak kartki papieru, w maleńki rulon. Problem w tym, że taką kartkę papieru można zwinąć w rulony na wiele różnych sposobów pod różnym kątem. I wtedy nanorurki mają od siebie radykalnie różne właściwości – mówi w rozmowie z PAP dr hab. Dawid Janas z Politechniki Śląskiej, który opracował nową metodę.

Jedne lepiej przewodzą prąd, inne są przydatne przy budowie tranzystorów. Badacz, który chciałby zbudować tranzystor o określonych parametrach, musi wybrać nanorurki półprzewodnikowe o konkretnym sposobie zwinięcia. Minimalna różnica w sposobie zwinięcia skutkuje różnicą we właściwościach poszczególnych nanorurek.

Ale zastosowań tego materiału jest dużo. - W badaniach prowadzonych w klinice w Nowym Jorku roztwory nanorurek są wstrzykiwane do krwi szczurów, co pozwala oceniać stan choroby i funkcjonowanie organizmu. Z jednej strony może nas przerażać wprowadzanie nanocząstek do organizmu żywego. Ale - z drugiej - 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 – przyznaje dr hab. Janas w wywiadzie dla serwisu PAP Nauka w Polsce.

Dotychczasowe metody segregacji nanorurek wymagały drogiego sprzętu. Chodzi tutaj o odpowiednie wirówki, odczynniki chemiczne czy inne urządzenia elektryczne zdolne wychwycić różnice w wielkości nanomateriału. Do tego stosowane metody były wieloetapowe i mało wydajne.

Zaproponowany przez naukowców ze Śląska pomysł opiera się na metodzie pochodzącej z 1885 roku. Podczas jednego z doświadczeń Martinus Beijerinck – autor metody – wymieszał dwa roztwory wodne: agaru i żelatyny. Zauważył, tworzą one dwie osobne fazy. Z podobną sytuacją mamy do czynienia, gdy wlejemy olej do wody – obie substancje odseparują się od siebie. Od tamtej pory metoda ta była stale rozwijana i obecnie wykorzystuje się ją w wielu dziedzinach.

Ten tzw. system dwufazowy można także wykorzystać w procesie selekcji nanorurek. Gdy zastosuje się odpowiednie czynniki można spowodować, że część nanorurek wypłynie na powierzchnię, a część pójdzie na dno. Po kilku takich zabiegach z zastosowaniem różnych czynników można uzyskać wybrany typ. Dr Janas wraz ze współpracownikami zoptymalizowali ten proces do jednego kroku.

Uczeni „ustalili, że dolną fazę powinien stanowić wodny roztwór dekstranu (związku złożonego z cukrów), a na górze musi znaleźć się poli(glikol etylenowy). Dr hab. Janas postanowił wprowadzić jeszcze jeden związek chemiczny, który wpływa na „wędrówkę” nanorurek w roztworze. Chciał zmusić wybrany typ nanorurek, żeby wybrał określoną fazę, a całą resztę – aby porzuciła tego samotnika” – czytamy w rozmowie z dr Janasem.

Tym związkiem okazał się amoniak lub hydrazyna. Zastosowanie odpowiedniego stężenie tego związku powoduje, że można wyselekcjonować określony typ nanorurek. W ten sposób można selekcjonować różne typy nanorurek, nawet te będące w mniejszości. Skutecznie udawało się uzyskiwać nawet taki typ, który stanowił zaledwie 6 proc. całej mieszaniny.

Opracowana metoda jest niezwykle precyzyjna. Jak przyznaje dr Janas, dzięki nie można oddzielić od siebie nanorurki różniące się od siebie jedną dziesiątą nanometra – to promień atomu wodoru. Metoda ta mogłaby znaleźć również zastosowanie przy oczyszczaniu leków. Choć pewnie w przyszłości znajdzie się więcej zastosowań dla tej koncepcji.

 

Źródło: PAP – Nauka w Polsce, fot. Mstroeck/ Wikimedia Commons