Stały rozpuszczalnik sposobem na unikatowe materiały

164

Krakowscy fizycy opracowali elastyczną metodę wytwarzania stałych, dwuwymiarowych rozpuszczalników krzemionkowych służących do produkcji materiałów o unikatowych własnościach fizyko-chemicznych. Dzięki nowatorskiemu podejściu naukowców z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie materiały niemożliwe do otrzymania dotychczasowymi metodami można wyprodukować z użyciem stałego, nanostrukturalnego rozpuszczalnika krzemionkowego.

Pod określeniem „stały rozpuszczalnik” kryje się tu substancja, która po zanurzeniu w roztworze odpowiednich cząsteczek lub jonów przyłączy je do swojej powierzchni w ściśle określonej proporcji i w ustalony sposób – wyjaśniono w komunikacie IFJ PAN. Osiągnięciem może się pochwalić zespół dr. hab. Łukasza Laskowskiego z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauki (IFJ PAN) w Krakowie. Wyniki wieloletnich prac zespołu właśnie przedstawiono na łamach czasopisma „International Journal of Molecular Sciences”

Nowe materiały często wytwarza się osadzając określone atomy bądź cząsteczki chemiczne na odpowiednim podłożu, takim jak krzemionka czy węgiel. Kłopoty sprawia tu jednak kontrola sposobu osadzania cząsteczek. Jak opisują fizycy z IFJ PAN, problem ten łatwo zrozumieć za pomocą prostego przykładu: „Weźmy gumową piłkę, pokryjmy ją klejem, rzućmy w pierze. Po wyjęciu piłki okaże się, że na jej powierzchni w jednych miejscach pierza jest więcej, w innych mniej. Dzieje się tak właśnie z powodu braku kontroli nad tym, jak poszczególne pióra przyklejają się do piłki”.

„W inżynierii molekularnej sytuacja jest jeszcze bardziej skomplikowana” – mówi, cytowany w komunikacie, dr Laskowski i tak przedstawia problem: „Przypuśćmy, że po latach badań jednak udało się znaleźć sposób, który pozwala kontrolować odległości między piórami doklejonymi do gumowej piłki. Co by się stało, gdybyśmy nagle potrzebowali dokleić nie pióra, lecz dajmy na to szklane paciorki? Zapewne trzeba byłoby zmienić klej. Zmiana kleju i doklejanego elementu oznaczałaby, że trzeba byłoby opracować nowe metody kontrolowania odległości między doklejanymi elementami. To znów wymagałoby szeregu lat badań, które wcale nie musiałyby zakończyć się sukcesem”.

Opisany powyżej problem krakowscy fizycy, finansowani ze środków Narodowego Centrum Nauki, postanowili rozwiązać w następujący sposób. Zamiast męczyć się z poszukiwaniem kolejnych metod równomiernego osadzania coraz to innych jonów czy cząsteczek na nośnikach, opracowali jedną metodę pokrywania nośnika krzemionkowego jednostkami kotwiczącymi. „Każda molekularna kotwica jest tu jedną stroną związana z podłożem, podczas gdy drugą może wyłapać z otoczenia jon bądź cząsteczkę ściśle określonego typu. Co szczególnie istotne, metoda pozwala zachować statystyczną kontrolę nad gęstością rozmieszczenia kotwic na powierzchni nośnika. Problem projektowania nowych materiałów został więc radykalnie uproszczony. Obecnie jego najistotniejszym punktem jest relatywnie proste i szybkie opracowanie kotwicy o jednym końcu przyciągającym aktualnie pożądane jony czy cząsteczki” – opisano w komunikacie.

„W naszej metodzie kluczową rolę stałego rozpuszczalnika pełnią nanostruktury krzemionkowe. Wytwarzamy je w takich warunkach, by formując się były od razu pokryte regularną siatką jednostek kotwiczących o gęstości ściśle dopasowanej do naszych aktualnych potrzeb” – wyjaśnia dr Magdalena Laskowska (IFJ PAN). Możliwość statystycznego kontrolowania odległości między kotwicami, istniejąca na etapie wytwarzania krzemionkowego rozpuszczalnika, pozwala naukowcom precyzyjnie dobierać ilość substancji związanej na powierzchni krzemionkowych drobin. Jednocześnie staje się możliwe zachowanie kontroli nad wzajemnymi oddziaływaniami cząsteczek wyłapywanych przez kotwice, a nawet nad ich orientacją.

„W tradycyjnych procesach wytwarzania nowych materiałów cząsteczki pewnych związków chemicznych mogą się tak osadzać na powierzchni, że ich struktura molekularna się zmienia. Cząsteczki często tracą wtedy swoje właściwości i stają się praktycznie bezużyteczne. Dzieje się tak wtedy, gdy molekuły wiążą się z podłożem za pomocą fragmentów determinujących ich cechy fizyczne czy chemiczne. Tymczasem my możemy wziąć owe niesforne cząsteczki i tak zagęścić liczbę kotwic na stałym rozpuszczalniku, by molekuły po związaniu nadal miały obszary aktywne i zachowywały pierwotną funkcjonalność” – tłumaczy doktorant Oleksandr Pastukh (IFJ PAN).

Gdy odpowiednio spreparowany krzemionkowy rozpuszczalnik zanurzy się w roztworze z docelowymi jonami/cząsteczkami, kotwice na jego powierzchni wyłapią je i zwiążą, co samoistnie doprowadzi do uformowania założonej struktury molekularnej. Nowo powstały materiał wystarczy teraz odfiltrować, przemyć rozpuszczalnikiem w celu usunięcia ewentualnych zabrudzeń i osuszyć.

Jak podano w komunikacie, opanowanie technologii wytwarzania stałych rozpuszczalników o precyzyjnie kontrolowanej dystrybucji kotwic pozwoliło badaczom z IFJ PAN odwrócić tradycyjny proces projektowania i syntezy materiałów.

Więcej na PAP – Nauka w Polsce

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Proszę wpisać komentarz!
Please enter your name here