Autor: Krystian Szubert

Klasyfikacja nanostruktur

Nanostruktura to niesamowicie mała wielkość trudna do wyobrażenia. Jej nazwa wywodzi się od przedrostka „nano”, który oznacza jedną miliardową część pewnej całości. Dla porównania, rozmiar pojedynczych atomów to rząd 0,1 nm [Sajewicz 2008].

Możemy dokonać podziału nanostruktur uwzględniając pochodzenie — powstałe wskutek celowej jak i niezamierzonej działalności człowieka oraz naturalne.

Ryc. 1. Klasyfikacja nanostruktur ze względu na pochodzenie [Świdwińska-Gajewska A.M. 2007. Nanocząstki (część 1) – produkt nowoczesnej technologii i nowe zagrożenie w środowisku pracy. Medycyna Pracy, 58, 3: 243–251.]

Nanocząsteczki naturalne często występują w środowisku. Źródła ich powstawania to rozkład szczątków roślinnych i zwierzęcych, erozja materiałów geologicznych, dymy wulkaniczne oraz proces spalania paliw pochodzenia mineralnego. Z kolei nanocząsteczki projektowane są, w przeciwieństwie do naturalnych nanostruktur, celowym wytworem człowieka [Jung 2014].

Kolejną cechą, która jest przydatna w klasyfikacji to skład chemiczny — nieorganiczne i organiczne (fulereny, wirusy, dendrymery, nanorurki węglowe) [Kachel-Jakubowska i in. 2015]. Nanocząstki również można sklasyfikować ze względu na wzajemny stosunek wymiarów i ich liczbę. Wyróżniamy struktury: trójwymiarową (3D), dwuwymiarową (2D), jednowymiarową (1D) oraz zerowymiarową (0D). Struktury 3D to na przykład.: fulereny, cząstki koloidalne, quasi-kryszały, nanoporowaty krzem czy półprzewodnikowe kropki kwantowe. Jeśli jeden z wymiarów nanostruktury kurczy się do kilku nanometrów to powstały obiekt będzie strukturą dwuwymiarową — będzie to kilkuatomowa warstwa osadzona na lite podłoże. Są to między innymi: nanowłókna, nanorurki węglowe, magnetyczne i metaliczne nanodruty. Powstanie nanostruktury jednowymiarowej jest spowodowane przez zmniejszenie wielkości kolejnego wymiaru. Powstają wtedy: materiały nanowarstwowe, nanopyłki aluminium, nanoziarniste warstwy powierzchniowe czy półprzewodnikowe stadnie kwantowe. Jeśli wszystkie wymiary będą wielkości kilku nanometrów otrzymamy układ w wymiarze 0D, który jest często nazywany „kropką kwantową” [Kelsall i in. 2008].

Ryc. 2. Klasyfikacja wymiarowa nanostruktur [Ashby M.F., Ferreria P. J., Schodek D. L. 2009. Nanotechnologies and Design. An Introduction for Engineers and Architects. Elsevier.]

Właściwości wybranych nanostruktur

Nanostruktury mają szerokie zastosowanie, a wynika to z możliwości kontrolowania ich właściwości: kształtu, składu chemicznego, rozmiaru czy struktury, co przyczynia się do wzrostu ich wytwarzania. Na końcową postać nanocząstek wpływa również metoda ich otrzymywania, pH i temperatura. Najpopularniejsze nanozwiązki to: nanosrebro, nanozłoto, nanomiedź, nanoplatyna i nanopallad [Pulit i in. 2011].

Nanozłoto ze względu na swoje właściwości jest stosowane w wielu dziedzinach nauki. Jedną z ważniejszych cech nanocząsteczkowego złota jest aktywność katalityczna, której istotą jest duży stosunek powierzchni do objętości, porównując go z litym metalem. Jest ono wykorzystywane w katalizie związków organicznych, jak i nieorganicznych [Hutchings 2004]. Ostatnie badania ukazują również, że nanozłoto wykazuje się zdolnością zachowywania jak kwas Lewisa. Pozwala to na aktywowanie nienasyconych związków organicznych i powstawanie wiązania węgiel-heteroatom oraz węgiel-węgiel w łagodnych warunkach [Georgy i in. 2009]. Nanozłoto wspomaga również procesy katalityczne takie jak: utlenianie alkoholi, powstawanie wiązania C-N czy nukleofilowa substytucja alkoholi pierwszorzędowych [Alanazi i in. 2010]. Nanostruktury złota również posiadają zdolność transportu substancji czynnych, poprawiają rozpuszczalność leków oraz zwiększają ich stabilność. Jest ono przydatne w rozpoznawaniu DNA, RNA, peptydów czy białek [Pulit i in. 2011].

Nanomiedź, poza swoimi antybakteryjnymi i antygrzybiczymi właściwościami, znajduje zastosowanie w dodatkach do smarów, ponieważ jest w stanie znacznie redukować współczynnik tarcia, ponadto dyspersja nanocząstek w substancji smarującej jest stała. Forma nanostruktur miedzi jest silnie zależna od stosunku molowego czynnika redukującego i soli miedzi. Zachowując stałe stężenie reduktora, a zwiększając roztworu soli miedzi, otrzymujemy cząsteczki nanomiedzi o średnicy około 80 nm. Natomiast zwiększając stężenie czynnika redukującego względem soli miedzi, otrzymuje się nanocząsteczki o zwiększonej aglomeracji i nieregularnych kształtach [Pulit i in. 2011].

Nanosrebro posiada szczególne właściwości fizykochemiczne, których nie posiada srebro metaliczne [Bielecki i Kalinowska 2008]. Nanocząsteczki srebra wykazują się dużo niższą temperaturą topnienia niż srebro w postaci metalicznej. Temperatura topnienia cząstek srebra o wymiarach 2,4 nm wynosi ok. 350oC w odróżnieniu od nierozdrobnionego, które topi się w 960oC [Maryuama i in. 2008]. Nanosrebro charakteryzuje się również dużą powierzchnią właściwą, która ma wpływ na zdolności katalityczne, adsorpcyjne oraz na reaktywność [Burda i in. 2005]. Jeśli chodzi o biobójcze właściwości nanostruktur srebra to wielkie znaczenie ma zdolność do uwalniania jonów srebra ze swojej powierzchni, które to uzależnione jest od obecności tlenu i pH. Srebro w rozmiarze nano, różni się od tego w postaci makro cechami takimi jak przewodnictwo elektromagnetyczne i elektryczne [Malina i in. 2010]. Ponadto nanocząstki srebra, tak jak i złota, wykazują się zdolnością katalizowania reakcji utlenienia i redukcji. Choi i Hu w 2008 roku wykazali, że nanosrebro wykazuje właściwości fotokatalityczne i pod wpływem światła, z zakresu widzialnego, może generować reaktywne formy tlenu (ROS) [Choi i Hu 2008].

Wymienione wcześniej właściwości nanocząsteczek odgrywają znaczącą rolę w ich szerokim wykorzystaniu w różnych dziedzinach życia. Właściwości fizykochemiczne są rezultatem kwantowego ograniczenia elektronów w nanostrukturach o niewielkich wymiarach oraz dużego stosunku atomów przypowierzchniowych i powierzchniowych do tych, które znajdują się wewnątrz. Rezultatem jest duża powierzchnia właściwa nanocząstek, co wpływa na zwiększenie ilości defektów, naprężeń sieci krystalicznej oraz niewysyconych miejsc koordynacyjnych. Zmiana właściwości fizykochemicznych jest zatem spowodowana tym, że jony i atomy powierzchniowe są w odmiennym położeniu koordynacyjnym [Runowski 2014].

Literatura
1. Alanazi F.K., Radwan A.A., Alsarra I.A. 2010. Biopharmaceutical applications of nanogold. Saudi Pharmaceutical Journal, 18, 4: 179-193.
2. Ashby M.F., Ferreria P.J., Schodek D.L. 2009. Nanotechnologies and Design. An Introduction for Engineers and Architects. Elsevier.
3. Bielecki S., Kalinowska H. 2008. Biotechnologiczne nanomateriały. Postępy Mikrobiologii, 47, 3: 163-169.
4. Burda C., Chen X., Narayanan R., El-Sayed M.A. 2005. Chemistry and properties of nanocrystals of different shapes. Chem. Rev., 105, 4: 1025-1102.
5. Choi O., Hu Z. 2008. Size dependent and reactive oxygen species related nanosilver toxicity of nitrifying bacteria. Environ. Sci. Technol., 42, 12: 4583-4588.
6. Georgy M., Boucard V., Debleds O., Dal Zotto C., Campagne J. 2009. Gold(III)-catalyzed direct nucleophilic substitution of propargylic alcohols. Tetrahedron, 65, 9: 1758-1766.
7. Hutchings G.J. 2004. New Directions in gold catalysis. Gold Bulletin, 37: 1-2.
8. Jung A. 2014. Nanocząstki w zastosowaniach medycznych – kierunek przyszłości? Pediatria i Medycyna Rodzinna, 10, 2: 104–110.
9. Kachel-Jakubowska M., Szymanek M., Dziwulska-Hunek A. 2015. Nanotechnologia – możliwości rozwoju i zastosowań. Protokół dostępu: http://www.ptzp.org.pl/files/konferencje/kzz/artyk_pdf_2015/T1/t1_0092.pdf (02.12.2017)
10. Kelsall R.W., Hamley I.W., Geoghegan M. 2008. Nanotechnologie. Tłum. i red. K. Kurzydłowski. PWN. Warszawa.
11. Malina D., Sobczak-Kupiec A., Kowalski Z. 2010. Nanocząstki srebra – przegląd chemicznych metod syntezy. Chemia. Czasopismo Techniczne, 107, 10: 183- 192.
12. Maruyama M., Matsubayashi R., Iwakuro H., Isoda S., Komatsu T. 2008. Silver nanosintering: a lead-free alternative to soldering. Appl. Phys. A., 93: 467-470.
13. Pulit J., Banach M., Kowalski Z. 2011. Właściwości nanocząstek miedzi, platyny, srebra, złota i palladu. Chemia – Czasopismo Techniczne, 108, 10: 198-209.
14. Runowski M. 2014. Nanotechnologia – nanomateriały, nanocząstki i wielofunkcyjne nanostruktury typu rdzeń/powłoka. CHEMIK, 68, 9: 766-775.
15. Sajewicz K. 2008. Nanostruktury. Foton 101: 5-12.
16. Świdwińska-Gajewska A.M. 2007. Nanocząstki (część 1) – produkt nowoczesnej technologii i nowe zagrożenie w środowisku pracy. Medycyna Pracy, 58, 3: 243–251.