Synteza i charakterystyka fizykochemiczna nanocząstek oraz ich monowarstw

Transkrypt

1 Instytut Katalizy IKiFP i Fizykochemii Powierzchni im. J. Habera im. J. Habera PAN PAN Synteza i charakterystyka fizykochemiczna nanocząstek oraz ich monowarstw Magdalena Oćwieja, Zbigniew Adamczyk, Maria Morga, Aneta Michna, Elżbieta Bielańska, Katarzyna Kubiak, Adam Węgrzynowicz

2 Znaczenie oraz zastosowania nanocząstek Biologia, medycyna narzędzia chirurgiczne, plomby dentystyczne, cewniki, implanty Diagnostyka biosensory, sondy biologiczne Powierzchniowo wzmocniona spektroskopia ramanowska (SERS) Kataliza Przemysł tekstylny antybakteryjne włókna Mikroelektronika diody i materiały przewodzące Optyka materiały antyrefleksyjne Modyfikatory bioszkieł Przemysł przewodzące farby, tusze, sprzęt AGD

3 Metody otrzymywania nanocząstek srebra Metody fizyczne ablacja laserowa metoda Bregida metody sonochemiczne metody fotochemiczne Metody chemiczne Metody biologiczne Schemat mechanizmów formowania nanocząstek srebra: a) wzrost przez dyfuzję atomów, b) wzrost przez agregację, c) wzrost autokatalityczny.

4 Metody pomiarowe stosowane w badaniach Oczyszczanie suspensji oraz wyznaczanie stężenia nanocząstek Określanie rozmiaru nanocząstek Właściwości optyczne Pomiary elektrokinetyczne Densytometr DMA 5000M. Komora filtracyjna AMICON. ZETASIZER ZS Malvern Spektrometr UV-vis SHIMADZU UV-1800 BROOKHAVEN ZETA PALS Pomiary grawimetryczne Ntegra NTMDT, AFM JEOL JSM-7500F, SEM Mikrowaga kwarcowa QCM-D ZESTAW DO WYZNACZANIA POTENCJAŁU PRZEPŁYWU

5 Wybrane właściwości nanocząstek srebra Suspensja/ rodzaj użytego reagenta Właściwość d p [nm] (TEM) d H [nm] (DLS) (T = 298 K, ph 5,5 I = 0.01 M NaCl ζ p [mv] (T = 298 K, ph 5,5 I = 0.01 M NaCl Kwas 3,4,5-trihydroksybenzoesowy 14±5 17± Kwas taninowy 17±5 16± Glukoza 18±5 18± Chlorowodorek hydroksyloaminy 13±2 16± Fosfinian/heksametafosforan sodu 13±4 13± Fosfinian/tripolifosforan sodu 13±6 10± (Borowodorek sodu)/ Cytrynian trisodu 15±4 16± ±4 29± ±10 58±6-61.6

6 Pomiary ruchliwości elektroforetycznej ,0-3.0 e mcm) (Vs) -1 ] e [( mcm)(vs) -1 ] -2,5-3, ,5 cytrynian trisodu , I [M] ph d[nm] I [M] κ -1 [nm] μ e [(μmcm)(vs) -1 ] ζ [mv] N c σ [e nm -2 ]

7 Osadzanie nanocząstek srebra na monowarstwach polielektrolitów POWIERZCHNIA STAŁA POLIELEKTROLITY SUSPENSJA SREBRA NHCH CH N 2 CH CH x y CH CH NH Poli(etylenoimina) (PEI) Mw= 70 kda Chlorowodorek poli(alliloaminy) (PAH) Mw= 70 kda Poli(chlorek diallilodimetyloamoniowy) (PDDA) Mw = 120 kda [mv] mika ph 5,5 1) 2) PREPARATYKA MONOWARSTW Monitorowana za pomocą: AFM, SEM, QCM, potencjał przepływu I [M]

8 15 ±5 nm 50 mg/ L Monowarstwy nanocząstek srebra 28 ±5 nm 150 mg/l 54 ±10 nm 400 mg/l t =60 min, θ= 0.06 t= 2 min, θ= 0.03 t=5 min, θ= 0.02 t=1260 min, θ= 0.27 t= 40 min, θ= 0.17 t= 100 min, θ= 0.14

9 N s [ m -2 ] Kinetyka osadzania nanocząstek srebra Warunki pomiarowe: I =0.01M, ph 5,5 T=293 K. 20 min N max =1636 μm t 1/2 [min 1/2 ] Θ= teoria, model RSA Δ,, -SEM, -AFM d p =15 nm 17 h Transport dyfuzyjny cząstek do powierzchni płaskich N s Dt 2 Warunki osadzania: Stężenie suspensji: 2 dpn 4 1/2 Δ- 100 mg/l, - 50 mg/l, - 20 mg/l s n b D współczynnik dyfuzji Ns -stężenie powierzchniowe nanocząstek Pokrycie bezwymiarowe dp średnica nanocząstek Ns -stężenie powierzchniowe nanocząstek

10 Zależność pokrycia maksymalnego od siły jonowej Stężenie powierzchniowe - N S [ m -2 ] teoria, model RSA - SEM -AFM d p =15 nm Warunki pomiarowe: c p = 50 mg L -1, ph 5,5 T=293 K. I=0.03 M I=0.01 M I=0.001 M I= M 0.6 0,25 2,50 d p / t 1/2 [min] 1/2 Monowarstwa o kontrolowanym pokryciu Pokrycie maksymalne max teoria, model RSA,,, - dane eksperymentalne I [M] 0.0

11 Stabilność monowarstw nanocząstek srebra Warunki pomiarowe: I =0.01 M, ph 5,5 T = 298 K Pokrycie θ 0 =0.06 D E S O R P C J A teoria - punkty eksperymentalne d p =15 nm t 1/2 [min 1/2 ] 6 DNI

12 Kinetyka desorpcji nanocząstek srebra Warunki pomiarowe: I =0.01 M, ph 5,5 T=298 K d p =15 nm Równowagowa stała adsorpcji K a 2 D sb l 0 1/2 ln ( 0 ) s l B 0 funkcja blokowania (~1) Głębokość minimum energii K a = 0.49 cm 16.8kT Ka kt m t 1/2 [min 1/2 ]

13 Kinetyka desorpcji nanocząstek srebra 1.0 Warunki pomiarowe: I=0.01 M, ph 5,5 T=298 K. 1 = kt d p = 54 nm = kt d p = 28 nm teoria,,, - punkty eksperymentalne 3 = kt d p = 15 nm Niezgodnie z teorią DLVO! t 1/2 [min 1/2 ] I [M] d p [nm] K a [cm] ϕ m [kt] K a [cm] ϕ m [kt] K a [cm] ϕ m [kt]

14 Kinetyka desorpcji nanocząstek srebra Warunki pomiarowe: I=0.01 M, ph 5,5. Koncepcja par jonowych Ooo T 0 =298K (25 o C) Ooo Ooo T 0 =323K (50 o C) Ooo T 0 =358K (85 o C) N m i 2 e 4 d im N i liczba par jonowych w strefie oddziaływania, d im - minimalna odległość między parami jonowymi. 0.6 d p =15 nm t 1/2 [min 1/2 ] T [K] d p [nm] 298 (25 o C) 323 (50 o C) 358 (85 o C) K a [cm] ϕ m [kt] ϕ' m [kt 0 ] K a [cm] ϕ m [kt] ϕ' m [kt 0 ] K a [cm] ϕ m [kt] ϕ' m [kt 0 ]

15 Rozwinięcie metodyki wytwarzania monowarstw nanocząstek srebra na powierzchniach granicznych o kontrolowanym pokryciu i topologii. Ilościowe opisanie kinetyki procesów adsorpcji i desorpcji nanocząstek (wyznaczenie energii wiązania, równowagowych stałych adsorpcji oraz izoterm). Wykazanie nieadekwatności klasycznych teorii opisu tych zjawisk przy użyciu modeli homogenicznych. Określenie uniwersalnego mechanizmu adsorpcji i desorpcji nanocząstek opartego na koncepcji oddziaływań elektrostatycznych między parami jonowymi. Aspekt praktyczny badań: PODSUMOWANIE Opracowanie metody wytwarzania stabilnych suspensji nanocząstek srebra o kontrolowanych rozmiarach oraz właściwościach powierzchniowych, mających szeroki zakres potencjalnych zastosowań jako substancje antybakteryjne, a także w metodach analitycznych np. SERS.

16 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ Projektu nr POIG /09 Funkcjonalne nano i mikrocząstki - synteza oraz zastosowania w innowacyjnych materiałach i technologiach (FUNANO)