Nanoskalowe gwiazdy rzucają światło na wysoce kontrolowane procesy adsorpcji i oczyszczania
Zdolność substancji stałych do przyciągania i „zatrzymywania” innych substancji na ich powierzchniach – zjawisko nazywane adsorpcją – jest często wykorzystywane w procesach oczyszczania i rozdzielania. Jednym z przykładów prostych substancji stałych charakteryzujących się takimi właściwościami jest aktywny węgiel, wykorzystywany powszechnie w filtrach wody oraz maskach przeciwgazowych używanych przez żołnierzy do ochrony przed trującymi gazami na polach walki. Lepsza kontrola nad nowymi funkcjami materiałów adsorpcyjnych może pozwolić na zwiększenie ich selektywności, czułości oraz skuteczności. Dzięki wsparciu z działania „Maria Skłodowska-Curie”, w ramach projektu NANODRIVE badacze przeprowadzili kompleksowe badania teoretyczne, obliczeniowe i doświadczalne procesu adsorpcji w nanoskali. Zrozumienie mechanizmu tego zjawiska toruje drogę do racjonalnego projektowania specjalistycznych nanocząsteczek pozwalających na adsorpcję oraz uwalnianie substancji, co przełoży się na wiele kluczowych obszarów, takich jak zastosowania środowiskowe, przemysłowe oraz medyczne.
Im więcej, tym lepiej
Badacze skupieni wokół projektu NANODRIVE skoncentrowali swoją uwagę na specjalnych nanocząsteczkach określanych mianem kopolimerów diblokowych. Polimery to bardzo duże cząsteczki złożone z wielu połączonych ze sobą mniejszych elementów (monomerów). Połączenie dwóch różnorodnych rodzajów monomerów, które prowadzi do powstania bloków powtarzających się elementów w ramach dużego polimeru, powoduje powstanie cząsteczki nazywanej kopolimerem diblokowym. Podwójna funkcjonalność fizyczna lub chemiczna takich cząsteczek może zostać wykorzystana do kierowania ich samodzielną budową do uprzednio ustalonej fazy uporządkowanej lub nieuporządkowanej. Jest to możliwe dzięki kontrolowanej zmianie parametrów takich jak stężenie, temperatura, pH lub właściwości chemiczne makrocząsteczek polimeru. Badaczka Barbara Capone, która zajmowała się projektem, skupiła się na projektowaniu kopolimerów diblokowych pozwalających na selektywną adsorpcję „ładunku” w roztworze. Mówiąc dokładniej, jako założycielka i dyrektorka generalna międzynarodowej organizacji pozarządowej Sunshine4Palestine zajmującej się zapewnianiem dostępu do energii elektrycznej i wody w sytuacjach kryzysowych, Capone skupiła się na wykorzystaniu adsorpcji w celu uzdatniania wody na dużą skalę na bardzo ubogich obszarach.
Zapisane w gwiazdach
Prace w projekcie NANODRIVE rozpoczęto od prostego systemu, nanocząsteczek srebra i adsorpcji jonów metali w roztworze. Jak wyjaśniają Capone i koordynator projektu Fabio Bruni: „Łącząc badania teoretyczne i przeprowadzone doświadczenia, byliśmy w stanie w pełni określić ścieżki adsorpcji jonów kobaltu i niklu przez nanocząsteczki srebra. Co więcej, udało nam się wykazać, że regulując kilka parametrów chemicznych lub fizycznych jesteśmy w stanie sterować zarówno procesem grupowania, jak i selektywnej adsorpcji”. Naukowcy postanowili skupić się wówczas na głównym badanym elemencie, gwiazdach zbudowanych z polimerów diblokowych, w przypadku których każde ramię gwiazdy składa się z dwóch elementów. Część wewnętrzna wchodzi w interakcje z ładunkiem, natomiast część zewnętrzna jest wykorzystywana w celu dostosowywania i zmiany kształtu makrocząsteczki adsorbującej. W ramach projektu NANODRIVE zewnętrzne ramiona gwiazdy otrzymały nową funkcję. Uwrażliwienie ich na temperaturę umożliwiło im wykrywanie zmian temperatur, co pozwala na zablokowanie ładunku w celu usunięcia go z roztworu wodnego w przypadku jej niewielkiej zmiany.
Racjonalne projektowanie adsorberów nanoskalowych rozwiązuje wiele problemów
Zespół zajmuje się obecnie opisywaniem interakcji molekularnych, które umożliwią racjonalne projektowanie adsorberów na potrzeby systemów biologicznych. Jak wyjaśniają Capone i Bruni: „Wychodząc od właściwości adsorpcyjnych prostych homopolimerów gwiaździstych, zajęliśmy się zaprojektowaniem szeregu makromolekularnych nanobotów, które miały możliwości zbierania ładunku i rozpoznawania metali ciężkich w złożonych i gęstych roztworach poprzez zmianę składu chemicznego lub geometrii nanocząsteczek”. Kompleksowa charakterystyka adsorpcji nanoskalowej przeprowadzona w ramach projektu NANODRIVE otwiera drogę do zastosowania tej technologii w różnych dziedzinach, zwłaszcza w zastosowaniach środowiskowych i biomedycznych.
Słowa kluczowe
NANODRIVE, polimer, adsorpcja, gwiazda, nanoskala, nanocząsteczka, kopolimer diblokowy, oczyszczanie, gwiaździsty kopolimer diblokowy
