Cenne przedmioty zbudowane z materiałów drewnopochodnych, takie jak stare książki czy rzeźby, można skuteczniej chronić przed zawilgoceniem bądź gniciem. Tak optymistyczny wniosek płynie z badań nad implantowaniem celulozy jonami metali i gazów szlachetnych, przeprowadzonych w Narodowym Centrum Badań Jądrowych i Szkole Głównej Gospodarstwa Wiejskiego. Z uwagi na obiecujące wyniki, zainicjowany kierunek badań będzie kontynuowany.
Od zarania naszego gatunku drewno należy do najważniejszych materiałów konstrukcyjnych. Powszechnie dostępne w zasiedlanych przez ludzi ekosystemach, z uwagi na swoje wyjątkowe właściwości mechaniczne znalazło szereg zastosowań, w tym w wynalazkach o kluczowym znaczeniu cywilizacyjnym, takich jak statki czy papier. Niestety, mimo wielu zalet drewno ma istotną wadę: ograniczoną trwałość. Celuloza, będąca jego głównym składnikiem, jako materiał higroskopijny ma zdolność wiązania wody, co sprzyja rozwojowi grzybów, także takich, które celulozę rozkładają. W trosce o zwiększenie trwałości cennych wyrobów z drewna i materiałów drewnopochodnych, naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku i Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego (SGGW) w Warszawie zainicjowali badania nad możliwością zwiększenia trwałości celulozy za pomocą procesu znanego jako implantacja jonów.
„Zabieg implantacji polega na modyfikowaniu warstwy wierzchniej materiału wiązką jonów określonych pierwiastków. O ostatecznych właściwościach przekształconej powierzchni decyduje szereg czynników, m.in. umiejętny dobór rodzaju jonów oraz czas i sposób ekspozycji przedmiotu na wiązkę”, wyjaśnia dr Marek Barlak z Zakładu Technologii Plazmowych i Jonowych NCBJ.
Naukowcy ze Świerka i Warszawy postawili przed sobą dwa cele: zweryfikować, czy implantacja jonami może zmniejszyć skłonność materiałów z celulozą do wchłaniania wody oraz ustalić, czy może ona chronić zmodyfikowaną powierzchnię przed rozwojem szkodliwych grzybów. Do badań użyto celulozy bakteryjnej wyprodukowanej w Instytucie Nauk Drzewnych i Meblarstwa SGGW. Próbki swoim wyglądem przypominały skrawki papieru o rozbudowanej fakturze. Implantację jonami gazów szlachetnych i metali zrealizowano w implantatorze pracującym w NCBJ. Proces przebiegał w komorze próżniowej, gdzie próbki wystawiano na działanie wiązki jonów o średnicy około 6 cm i energii kinetycznej dobranej w taki sposób, aby rozpędzone cząstki mogły się zagłębić w warstwie powierzchniowej materiału na precyzyjnie dobraną głębokość.
W przypadku badań nad hydrofobowością celulozy rolę pocisków odegrały jony gazów szlachetnych, helu i argonu, implantowane osobno w dwóch dawkach. We wszystkich przypadkach zmodyfikowane fragmenty próbki wykazywały wyraźnie mniejszą zwilżalność niż obszary powierzchniowo niezmodyfikowane. Analizy ujawniły, że jony argonu lokowały się stosunkowo płytko, w warstwie leżącej ok. 70 nanometrów pod powierzchnią, podczas gdy hel wnikał na głębokość nawet 600 nm. Zaobserwowane różnice pozwolą w przyszłości lepiej dopasować rodzaj implantacji do właściwości i stanu zabezpieczanego przedmiotu.
Bohaterami drugiego etapu badań były jony metali: miedzi, cynku i srebra. Pierwiastki te wyselekcjonowano z uwagi na ich obecność w związkach stosowanych do ochrony drewna przed grzybami. Podobnie jak wcześniej, implantację każdym metalem zrealizowano w dwóch zróżnicowanych dawkach. Zmodyfikowane próbki przewieziono następnie do SGGW, gdzie zostały umieszczane w obecności grzybów Trichoderma viride i Chaetomium globosum. Wyniki badań okazały się obiecujące wyłącznie dla próbek zmodyfikowanych większą dawką jonów srebra.
„Nasze testy biologiczne wykazały, że jony srebra zaimplantowane na powierzchni celulozy działają biobójczo na jeden z ważniejszych grzybów odpowiedzialnych za rozkład celulozy, mianowicie Trichoderma viride. W naturze te mikroskopijne grzyby można znaleźć na powierzchni rozłożonego drewna, powszechnie występują także w glebie”, mówi dr Izabela Betlej (SGGW), pierwsza autorka artykułu opublikowanego na łamach czasopisma „Coatings”.
Godny podkreślenia jest fakt, że zarówno przy zmniejszaniu zwilżalności, jak i zwiększaniu grzyboodporności, przebieg trwającej kilka minut implantacji okazał się nie zagrażać próbkom: temperatura ich powierzchni nigdy nie przekroczyła 50 stopni Celsjusza, wartości bezpiecznej nawet dla materiałów organicznych. Jedyne ograniczenie metody zabezpieczania celulozy zaproponowanej przez naukowców z NCBJ i SGGW ma charakter czysto techniczny i wiąże się z rozmiarami komory próżniowej implantatora, która musi pomieścić cały obiekt poddawany modyfikacji.
Dr Marek Pawłowski
