Stosowane materiały

Srebro (Ag), złoto (Au), tlenek cynku (ZnO) , dwutelenk cyny (SnO₂) są to materiały powszechnie znajdujące zastosowanie w medycynie.  ZnO, Ag, Au mają właściwości bakterio bójcze, złoto ponadto jest materiałem  najłatwiej przyswajanym przez organizm ludzki, dlatego właśnie niem sa pokrywane wszelkiego rodzaju protezy.  nanoSTRUKTURY SnO₂, ZnO świetnie się nadają jako materiał transportujący leki w organiźmie.

Właściwości antybakteryjne nanoTECHNOLOGII

Właściwości antybakteryjne srebra nie są niczym nowym. Już w starożytnej Grecji były one znane i powiszechnie wykorzystywane. Nie jest przypadkiem, kielichy i naczynia były robione ze srebra. Miały one na celu zabezpieczenie spożywanych posiłków przed bakteriami.  Srebrne monety były powszechnie używane do dezynfekcji wody. Dziś nanoCZĄSTKI srebre można znaleźć w tkaninach, dezodorantach oraz bandażach i plastrach leczniczych. Stosowanie plastrów z cząsteczkami srebra powoduje szybsze gojenie się ran.

Jak takie produkty powstają?

W procesach chemicznych lub biologicznych otrzymuje się  nanoCZĄSTKI srebra o wymiarach z przedziału 10 – 50 nm. Następnie taki proszek jest nanoszony na tkaniny np. metodami ultradźwiękowymi. Istnieją także procesy pozwalając e na sytezę nanoSREBRA bezpośrednio na materiale. Problem technologiczny polega jednak na tym, że po pierwszym praniu ponad połowa nanoCZĄSTEK znika z naszych tkanin, dlatego te technologie nadają się bardziej do produktów jednorazowego użytku, jak np. plastry.

Nadmierna ilość srebra w organiźmie nie jest jednak zdrowa. Znane są przypadki osób, które ze względu na nie kontrolowane przyswajanie srebra przez organizm popadły w chorobę popularnie nazywaną „srebrzycą,” a jej bardziej fachowa nazwa do ARGYRIA. Jej objawem jest zmiana koloru skóry na srebrną lub niebieską (foto). Jak donoszą źródła, obecnie poza tym objawem, nie wykryto innych skutków ubocznych.

W celu ulepszenia właściwości bakteriobójczych tkanin, w ostatinch latach trwają intensywne badania nad rozwojem nanoCZĄSTEK  telnku cynku. ZnO ma tak jak srebro silne właściwości bakteriobójcze, ale poza tym ma jeszcze właściwości wysuszające, co stanowi jego przewagę. Dzięki tym właściwościom ZnO poza zabijaniem bakterii dodatkowo wysusza ranę powodując jej szybsze gojenie się. Tego rodzaju techniki są stosowane przy produkcji plastrów na poparzenia. Niestety nie we wszystkich krajach te produkty są dopuszczone do sprzedaży.

ZnO w stomatologii

Tlenek cenku jest bardzo często używany przez stomatologów.  ZnO jest swego rodzaju aktywatorem wspomagającym odbudowywanie się zębiny. W tym wypadku bardzo ważne są wymiary nanoPROSZKU, gdyż kanaliki w zębach mają srednicę do 4µm. Cząsteczki ZnO mające średnice ok 100nm wpenetrują tam bez większych problemów, ale jeżeli byłby większe, to prawdopodobnie nie przyniosłyby żadnego efektu.

nanoRURKI i nanoKULKU jako nośniki leków

nanoSTRUKTURY mogą być używane do transportu leków w organiźmie. nanoRURKI i nanoKULKU są wypełniane lekarstwem i następnie podawane pacjentowi. W kolejnym etapie na zasadzie zmian koncentracji lek dyfunduje do organizmu. Dzięki tej metodzie lek jest dozowany stopniowo i w sposób ciągły i w całym organiźmie jednocześnie. Do tych zastosowań nadają się zarówno nanoRURKI z ZnO jak i nanoKULKI z SnO₂.

Niebezpieczeństwo nanoTECHNOLOGII

Mimo wielu zalet i ułatwień jakie niesie nanoTECHNOLOGIA, ma ona też swoje wady. Nie chodzi tu o tak podstawowe sprawy jak skomplikowane maszyny stosowane do produkcji nano, które pobierają dużo energii, lecz o rakotwórczość nanoCZĄSTEK. Istnieje ryzyko, że nanoCZĄSTKI o wymiarach ok 10 – 30 nm mogą być szkodliwe dla zdrowia. Hipotezy te nie są potwierdzona badaniami, jednak coraz więcej naukowców zastanawia się nad tym problemem i podjrzewa, że nanoCZĄSTKI, mogą się okazać szkodliwe. Jeżeli w przyszłości nanoRURKI mają nam ratować życie transportując leki w naszym organiźmie, zastanówmy się, czy dzisiaj nie warto ograniczyć innych nanoCZĄSTEK, żeby nie wyczerpać swojego limitu np. stosując dezodorant z molekułami srebra.

Te wszystkie pytania dla fizyka lub też chemika zdają się być banalne, a odpowiedzi na nie oczywiste, ale dla innych już nie. Poza czystą fizyką i chemią istnieje ogromna ilość zastosowań nanoTECHNOLOGII w innych dziedzinach nauki i przemysłu. Dla ludzi będących ekspertami w tych dziedzinach sama tajemnica nanoTECHNOLOGII może już nie być taka oczywista.

Jakie są zalety nanoKRYSZTAŁÓW?

nanoKRYSZTAŁY, będące pseudo jednowymiarowymi strukturami (1D struktury), czyli kryształy o wymiarach poniżej 100 nm mają właściwości odróżniające je od klasycznych materiałów, np. nanoPRĘTY, nanoRURKI, nanoIGŁY. nanoMATERIAŁY cechuje przedewszystkim:

1)      Duży współczynnik powierzchni do objętości

Wyobraźmy sobie płaską powierzchnię i wyobraźmy sobie powierzchnię całą pokrytą małymi prętami. Górna części prętów ma taką samą powierzchnię jak płaskie podłoże, a boczne cześci prętów stanowią dodatkowa przewagę nad tradycyjnym materiałem. Jeżeli taki pręt zamienimy na nanoRURKĘ, to przewaga wzrasta dwukrotnie.

Stosunek powierzchni do objętości (S/V) w zależności od promienia nanoDRUTU

Wraz ze zmnijeszeniem promienia nanoSTRUKTURY, wzrasta współczynnik powierzchni do objętości (ang. surface/volume ratio). Zależnosć ta ma charakter eksponencjalny, co jest prszedstawione na wykresie. W takim materiale dużo większą ilosć atomów, stanowią atomy powierzchniowe, czyli atomy, które mogą brać udział w reakcji z otoczeniem. Jeżeli tego typu materiał funkcyjny zastosujemy w czujnikach gazów, to gaz będzie reagował z większą powierzchnią materiału gazoczułego jakim np. jest ZnO i dzięki temu uzyskamy szybszy czas odpowiedzi oraz obniżymy dolny próg detekcji czujnika. W optoelektronice zastosowanie nanoMATERIAŁÓW ma podobne znaczenie. Zwiększa sie powierzchnię zdolną do emitowania światła, a w ogniwach słonecznych powierzchnię pochłaniającą promieniowanie, dzięki czemu wzrasta sprawność urządzeń.

2)      W szerokim zakresie temperatury oraz koncentracji nośników długość Debye’a jest równa promieniowi nanoSTRUKTURY (λ_D ≈ r)

Znaczenie długości Debay'a

Dla większości nanoDRUTÓW półprzewodników tlenkowych długość Debye’a jest porównywalna z ich promieniem w szerokim zakresie temperatury i koncentracji domieszek, co powoduje, że właściwości elektryczne tych materiałów silnie zależą od procesów zachodzących na ich powierzchni. W wyniku tych procesów może pojawić się sytuacja w której przewodność nanodrutów może zmieniać się od stanu zupełnie nieprzewodzącego do stanu wysoko przewodzącego, całkowicie na wskutek chemicznych reakcji zachodzących na ich powierzchni. Dzięki tej właściwości można poprawić czułość czujników gazów pracujących na takich materiałach funkcyjnych, skrócic ich czas odpowiedzi oraz obnizyc ich dolnyc próg detekcji.

3)      Czas dyfuzji nośników z wnętrza nanopręta na jego powierzchnie jest o dwa rzędy krótszy, niż ich czas rekombinacji.

To oznacza, że znakomita większość nośników zanim zdąży przerekąbinować, to dostanie się na powierzchnie materiału i wejdzie w reakcję z otoczeniem. Dzieki temu wszelkie powierzchniowe reakcje redox indukowane przez promieniowanie świetlne mogą zachodzić z kwantową efektywnością.

Kwantowa sprawnosć w nanoTECHNOLOGII

Defekty można otrzymać także poprzez wprowadzenie domieszki. Bardzo popularnym sposobem modyfikowania ZnO jest wbudowywanie atomów węgla w sieć krystaliczną ZnO, a następnie wypalanie go. To owocuje tym, że w miejscach sieci, w których występował węgiel pojawiają się wakanse. Można otrzymać efekt “świecenia defektami”.

Wprowadzenie domieszki mana celu uzyskanie dodatkowego poziomu energetycznego. Jak donosi literatura szczególnie ciekawymi materiałami do takich badań są lantanowce, gdyż one w przerwie zabronionej półprzewodnika tworzą nie tylko poziom energetyczny, ale całe pasmo.

W literaturze z ostatnich lat można się spotkać z publikacjami na temat zmian szerokości pasma zabronionego razem ze zmianami wielkości materiału. Zjawiska takie zachodzą w quasi jednowymiarowych strukturach (1D struktury). Dobrym przykładem jest nanoIGŁA, czyli nanoPRĘT, który zwęża się ku górze. Zmienną średnicą cechuje się także nanoPIRAMIDA.

Tlenek cynku podobnie jak cząstki złota i srebra ma właściwości antybakteryjne, jednak ZnO jest o tyle lepszym materiałem gdyż w odróżnieniu od złota i srebra ma silne właściwości wysuszające, co stanowi jego wielką zaletę np. przy leczeniu poparzeń.

Badania można podzielić na dwa etapy:

• część technologiczna – opracowanie technologii osadzania  cząstek na włóknach bandażu oraz plastrów, zapanowanie nad wielkością powstających cząstek oraz ich adhezją do materiału
• część biologiczna - badanie własności bakteriobójczych ZnO, modyfikowanie ich skałdu domieszkami, aby poprawić działanie

etyieta obrazka

Większości ludzi, którzy nie zajmują się na co dzień nanotechnolgią, ta dziedzina nauk kojarzy się przede wszystkim z nanoRURKAMI węglowymi (carbon nano tubes CNT). Przy takiej propagandzie zwykły człowiek nie ma sznas zapoznać się z innymi dziedzinami nanotechnologii, do czego i dlaczego jest ona stosowana oraz jakie są kożyści z prowadzenia badań nad jej rozwojem. Nanotechnologia to nie tylko rurki węglowe, ale także inne materiały (ZnO, TiO2, CuO2, Ag, Au, AlN …) oraz inne struktury (nanoPRĘTY, nanoPIRAMIDY, nanoGWIAZDKI, nanoJEŻE, nanoPASTYLKI… ). My w swojej pracy zajmuemy się przede wszystkim badaniem tlenku cynku. Syntezujemy metodami mokrej syntezy chemicznej oraz metodą osadzania z kąpieli chemicznej (chemical bath deposition CBD) różne struktury, które następnie są przez nas aplikowane w różnych urządzeniach. Obecnie prace trwają na trzema projektami:

• EUROS -grecki bóg wiatru, jego imię opisuje nas projekt poświęcony implementacji nanoMATERIAŁÓW w czujnikach gazów
• PROMETEUSZ – projekt poświęcony materiałom wytwarzanym pod zastosowania w optoelektronice
• ASKLEPIOS - grecki bóg medycyny, jego imie opisuje nasz projekt poświęcony zastosowaniu nanoCZĄSTEK w medycynie i biologii

Na blogu będą opisywane wyniki badań, nowych osiągnięć oraz doniesienia z nanoŚWIATKA. Zapraszam do lektury i komentowania.