Świat w rozmiarze nano
Jak mogliście dowiedzieć się z wcześniejszego wpisu, jestem w trakcie doktoratu z chemii.
Postanowiłam w końcu napisać o tym, co robię w laboratorium :D. A więc dzisiaj zapraszam Was do mojego świata nauki! W dzisiejszym popularno-naukowym wpisie przeczytacie o tym, czym są nanocząstki, co mają wspólnego ze starożytnymi bogami i czy fotokataliza wiąże się z fotografią :P.
No to zaczynamy!
Konferencja NanoTech Poland 2022
Jak wygląda świat w rozmiarze nano?
Nanotechnologia jest jednym z najpopularniejszych i najprężniej rozwijających się działów nauki. Będąc na studiach inżynierskich również zainteresowałam się tym tematem i postanowiłam pójść właśnie w tym kierunku.
A więc czym są nanocząstki? Mianem nanocząstek nazywamy takie materiały, których przynajmniej jeden wymiar (np. długość, szerokość) mieści się w zakresie od 1 do 100 nm. Sam przedrostek nano odnosi się do miliardowej (!) części metra. A zatem nie jesteśmy w stanie gołym okiem zobaczyć tych struktur. Do tego służą specjalne mikroskopy, takie jak: skaningowy mikroskop elektronowy czy transmisyjny mikroskop elektronowy, które pozwalają powiększyć obraz nawet 200 tysięcy razy!
W zależności od zastosowanych odczynników i sposobu syntezy można otrzymać różnorodne kształty nanostruktur, np. kulki, gwiazdki, kwiaty, kostki, trójkąty czy pręty.
Jednak w syntezie nanocząstek chodzi przede wszystkim o coś znacznie ważniejszego niż ciekawe kształty! Otóż struktury w rozmiarze nano posiadają znacznie różniące się właściwości fizyko-chemiczne w porównaniu do materiałów w skali mikro (czyli o większych rozmiarach), wykonanych z tych samych materiałów! Różnice mogą dotyczyć właściwości takich jak: temperatura topnienia, przewodnictwo cieplne, elektryczne czy magnetyczne, a także reaktywność. Co więcej, niektóre materiały w rozmiarze nano zyskują dodatkowe właściwości przeciwbakteryjne (np. nanocząstki srebra), przeciwgrzybicze (np. nanocząstki miedzi) czy regenerujące (np. nanocząstki złota).
I to właśnie dzięki tym niesamowitym właściwościom, nanocząstki stosowane są w tak różnorodnych dziedzinach, że aż trudno je wszystkie wymienić!
Co wspólnego mają nanocząstki i starożytni bogowie?
Wydawać by się mogło, że właśnie postawiłam pytanie z kosmosu. A jednak nie! Już tłumaczę o co chodzi!
W starożytnym Rzymie panował kult boga o imieniu Janus. Był on bogiem wszelkich początków, ale także opiekunem przejść, mostów, bram i innych symboli połączeń. Przedstawiany był jako mężczyzna o dwóch twarzach, symbolizujących dwoistość natury.
Staroitalski bóg Janus. (Źródło: www.bialczynski.pl)
A jaki to ma związek z nanotechnologią?
Począwszy od lat 90. XX wieku, w świecie nanocząstek zaczęły zyskiwać popularność nanomateriały o ciekawej, asymetrycznej strukturze. Asymetria tych cząstek polega na obecności przynajmniej dwóch różnych składów chemicznych/ kształtów/ kolorów/ właściwości fizyko-chemicznych w obrębie każdej pojedynczej cząstki. Dzięki tej dwoistości, nanostruktury te wykazują wielokrotnie wyższą aktywność w wielu reakcjach chemicznych w porównaniu do nanocząstek zbudowanych z pojedynczych materiałów.
Przykładowe kształty cząstek typu Janus: a) kulisty, b) dysk, c) cylinder, d) hantla, e) bałwanek, f) żołądź. (Źródło: materiały własne – praca magisterska)
No i co z tym Janusem?
Opisany powyżej rodzaj nietypowych nanostruktur został nazwany właśnie na cześć tego rzymskiego boga – są to nanocząstki typu Janus! A dlaczego o nich piszę? Ponieważ właśnie na nich skupia się moja praca doktorska! 🙂
W zasadzie, jeśli się dłużej nad tym zastanowić, to nanocząstki typu Janus dobrze obrazują moją osobę – nie bez znaczenia mówię o sobie „umysł ścisły, dusza artysty” ;). Tak samo jak moje „Janusy”, działam w dwóch zupełnie różnych kierunkach – z jednej strony jestem chemiczką, a z drugiej artystką :D.
Co dalej z nanocząstkami?
Jak wspomniałam, wyjątkowe właściwości struktur w rozmiarze nano sprawiają, że posiadają one szeroki wachlarz zastosowań – wykorzystywane są m.in. w czujnikach optycznych, filmach rentgenowskich, środkach bakteriobójczych, kosmetykach czy jako nośniki leków. Jednak obszar, który mnie interesuje najbardziej w kontekście zastosowań otrzymanych nanocząstek to fotokataliza. I nie – nie ma ona żadnego związku z fotografią ;).
Najprościej mówiąc, fotokatalizą określamy zmianę szybkości reakcji lub jej rozpoczęcie w wyniku działania promieniowania (UV, widzialnego lub podczerwieni) i w obecności fotokatalizatora. Fotokatalizator jest kluczowym elementem całej tej układanki. To on pochłania promieniowanie (które go „aktywuje”) i bierze udział w chemicznych przemianach reagentów. W moich badaniach rolę fotokatalizatora pełnią właśnie nanocząstki typu Janus! 🙂
Sam proces fotokatalizy jest niezwykle przydatny np. w technologiach środowiskowych. Stosowany jest m.in. w celu oczyszczania powietrza, fotokonwersji dwutlenku węgla do przydatnych węglowodorów czy też w celu produkcji wodoru z wody. Podczas mojego doktoratu biorę pod lupę to ostatnie zagadnienie.
Dlaczego wodór jest ważny?
W związku z dynamicznymi zmianami klimatu, zanieczyszczeniami środowiska i wyczerpywaniem się pokładów paliw kopalnych, poszukiwane są proekologiczne metody produkcji wodoru – zielonej alternatywy dla paliw kopalnych. Wydawać by się mogło, że wyeliminowanie ropy naftowej, węgla czy gazu to jedynie nieosiągalne wymysły zbyt optymistycznych naukowców, jednak z roku na rok brzmi to coraz bardziej jak realistyczna pieśń przyszłości. Wszystko dzięki coraz to nowszym, zaawansowanym technologiom, dzięki którym produkcja znacznych ilości wodoru z wody jest możliwa!
Również podczas moich reakcji z Janusami, z powodzeniem otrzymuję wodór. Na podstawie licznych badań staram się też opisać mechanizm tej reakcji, ale na ten moment nie należy to do najprostszych zadań z uwagi na to, że pracuję nad całkiem nowymi rodzajami tych nanocząstek, więc ciężko szukać podpowiedzi w dotychczasowej literaturze. Jednak również z tego samego względu moja praca jest bardzo ekscytująca!
A zatem trzymajcie kciuki za moje badania, a jeśli macie dodatkowe pytania to chętnie na nie odpowiem! 🙂
