dr Magdalena Oćwieja

Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchni im. Jerzego Habera Polska Akademia Nauk PROJEKT UNIJNY wprowadzający odpowiedzialne badania naukowe i innowacje do klasy szkolnej Gimnazjum nr 2 im. Adama Mickiewicza, Kraków dr Magdalena Oćwieja Kraków, 19 lutego 2016

- Co oznacza wyrażenie lecieć w kulki - Dlaczego kulki - Jak można grać w kulki - Jak naukowcy bawią się kulkami - Co drzemie w kulkach - Jak z kulki zrobić nieskończoność możliwości - Od kulki do nanocząstki..

Jaki powinien być idealny naukowiec? inteligentny, analityczny, kreatywny, chętny do pracy, pełen artyzmu, ostrożny, dokładny, chętny do współpracy.. empatyczny z poczuciem humoru Lecieć w kulki m.in. robić sobie żarty

https://pl.wikipedia.org/wiki/kula

Te kulki też lubimy!!!

atom podstawowy składnik materii 1 nm (nanometr) 1 tysięczna część mikrometra = 10-3 um = 1 miliardowa część metra = 10-9 m 1nm = 10-9 m 1 pm = 10-12 m

atom Ag d= 0.288 nm r= 0.144 nm 1 nm 10-9 m, 1pm = 10-12 m Atom srebra r = 144 pm =0.144 nm Objętość kuli - V= 4/3 πr 3 Atom srebra, V=0.013 nm 3 Nanocząstka o promieniu 50 nm,v=65 416 nm 3 Ilość atomów srebra w nanocząstce 5 032 0 51 50 nm

atom Ag d= 0.288 nm r= 0.144 nm 50 nm 1 kg sztabki srebra Przykładowe rozmiary 116.5 mm x 51 mm x 9.5 mm

atom Ag d= 0.288 nm r= 0.144 nm nanocząstki 1 100 nm

Zdjęcia z mikroskopu elektronowego

Układy koloidalne Roztwory koloidalne Suspensje Dyspersje koloidalne Szklanka wody Suspensja sferycznych nanocząstek srebra o średniej wielkości 15 nm.

ośrodek dyspersyjny faza zdyspergowana 1 100 nm

suspensje monodyspersyjne oraz polidyspersyjne

$ rozpuszczanie utlenianie morfologia Właściwości powierzchniowe aglomeracja i agregacja

M+ M+ M+ M+ M+ M+ M+ M+ M+ M+ Top Down Methods Bottom up Methods

C. Louis, O. Pluchery, 2012, 5, 103-125, Imperial College Press

Ablacja laserowa w fazie ciekłej Metoda Bregida (łuk elektryczny) Modyfikacje metod elektrochemicznych Metody sonochemiczne Procesy radiolizy (promieniowanie γ) Procesy fotochemiczne

Organizmy żywe Bakterie Fotoautroficzne cyjanobakterie Termofiliczne bakterie Enterobacterie Grzyby pleśnie z rodzaju Penicillium Fusarium culmorum Ekstrakty roślinne ekstrakt z liści drzewa kamforowego (łac. Cinnamomum camphora) ekstrakt z miodly indyjskiej (łac. Azadirachta indica) ekstrakt z geranium-pelargonii (łac. Pelargonium graveolens

Redukcja jonów srebra Ag+ e - Ag dostarczanie kationów srebra w postaci łatwo rozpuszczalnych soli srebra, np. azotan(v) srebra (AgNO 3 ), octan srebra (CH 3 COOH), nadchloran srebra (AgClO 4 ) sklejanie atomów srebra

Zmiany w potencjale redoks jonu Ag+ w wyniku kompleksowania (K β stała trwałości kompleksu) D.V. Goia, E. Matijevič, New J. Chem.,1998, 22, 1203-1215. D.V. Goia, J. Mater. Chem., 2004, 14, 451-458. Kamyshny, S. Magdassi, Aqueous dispersions of metallic nanoparticles. Preparation, stabilization and application., 2010, 25, 747-778, CRC Press.

Wyróżnia się trzy podstawowe mechanizmy formowania nanocząstek: a) dyfuzję zredukowanych atomów do jąder b) agregację utworzonych jąder nukleacyjnych bądź pierwotnych nanocząstek c) chemisorpcję jonów srebra i ich późniejszą redukcję na jądrach nukleacyjnych, tzw. wzrost autokatalityczny.

Podział metod syntezy nanocząstek metali ze względu na dobór ośrodka dyspersyjnego: a) Metody redukcji w roztworach wodnych b) Metody redukcji w rozpuszczalnikach organicznych c) Syntezy w obecności miceli d) Syntezy poliolowe

1. Nanocząstki srebra jako jedna z form srebra niejonowego. 2. Otrzymywanie nanocząstek srebra w reakcjach chemicznych: a. Dobrze rozpuszczalna sól srebra b. Związek pełniący rolę reduktora c. Stabilizator a. Reakcja redukcji srebra jonowego: Ag + + Red Ag 0 + Re + b. Łączenie się powstałych atomów w większe struktury:

Stabilizacja elektrostatyczna Stabilizacja steryczna Polimery PVP, PVA Polielektrolity PEI, PAH Surfaktanty CTAB, Tween Inne makromolekuły

R. A. Sperling, W. J. Parak, 2010

Suspensje nanocząstek srebra Suspensje nanocząstek złota Suspensje nanocząstek Nanocząstki osadzone na powierzchniach stałych

Wytwarzanie filmów nanocząstek Procesy top-down (rozdrabnianie materiału) Procesy bottom-up (atom po atomie) dry processes wet processes Strącanie chemiczne Physical vapour deposition (PVD) Synteza hydrotermalna Chemical vapour deposition (CVD) Fotoredukcje Z suspensji nanocząstek

? Suspensja nanocząstek srebra Określony stopień pokrycia, struktura, właściwości monolub multiwarstw np. porowatość

Osadzanie elektroforetyczne Spin-coating Technika Langmuir-Blodgett Dip-coating Procesy samoorganizacji Samoorganizacja sterowa odparowaniem

polielektrolit Nanocząstki srebra Monowarstwa nanocząstek srebra Czas osadzania

120 100 80 60 40 Substrat Szkło, kwarc, ITO, krzem, węgiel, złoto, tytan/tlenek tytanu, włókna polimerowe, nylon, jedwab [mv] 20 0-20 -40-60 -80-100 Modyfikacje powierzchni dendrymery, polielektrolity, silany, białka, inne nanocząstki -120 10-4 10-3 10-2 10-1 I [M] Chlorowodorek poli(alliloaminy) (PAH) Mw= 70 kda Chlorowodorek poli(dimetylodialliloaminy) (PDDA) Mw= 100 kda Poli(etylenoimina) (PEI) Mw= 70 kda NHCH CH N 2 CH CH 2 2 2 x y CH CH NH + 2 2 3 Kleimann J, Lecoultre G, Papastavrou G, Jeanneret S, Galletto P, Koper GJM, Borkovec M (2006). J Colloid Interface Sci 303: 460-471 Adamczyk Z, Zembala M, Michna A (2006). J Colloid Interface Sci 303: 353-364

Oćwieja, Adamczyk, Morga, Kubiak Advances in Colloid and Interface Science 2014

Oćwieja, Adamczyk, Morga, Kubiak Advances in Colloid and Interface Science 2014

CEL PRACY Określenie mechanizmów osadzania nanocząstek srebra na wybranych powierzchniach heterogenicznych oraz ich uwalniania z wytworzonych monowarstw. osadzanie uwalnianie

SYNTEZA NANOCZĄSTEK SREBRA V CYTRYNIAN TRISODU BOROWODOREK SODU FOSFINIAN SODU 3,0 2,5 KWAS 3,4,5-TRIHYDROKSY- BENZOESOWY A 2,0 1,5 V 1,0 0,5 GLUKOZA CHLOROWODOREK HYDROKSYLOAMINY TANINA 1704 g/mol 0,0 300 400 500 600 700 [nm] KSZTAŁT I ROZMIAR NANOCZĄSTEK SREBRA POMIARY TEM 250 200 15 ±4 nm Liczba cząstek 150 100 50 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 d p [nm]

METODY POMIAROWE ZASTOSOWANE W BADANIACH Oczyszczanie suspensji oraz wyznaczanie stężenia nanocząstek Określanie rozmiaru nanocząstek Pomiary elektrokinetyczne Densytometr DMA 5000M. Komora filtracyjna AMICON. ZETASIZER ZS Malvern BROOKHAVEN ZETA PALS Ntegra NTMDT, AFM JEOL JSM-7500F, SEM ZESTAW DO WYZNACZANIA POTENCJAŁU PRZEPŁYWU

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±4-47.1 Tanina 17±5 16±3-53.9 Glukoza 18±5 18±3-23.1 Chlorowodorek hydroksyloaminy 13±2 16±5-48.4 Fosfinian/heksametafosforan sodu 13±4 13±4-33.2 Fosfinian/tripolifosforan sodu 13±6 10±5-35.6 (Borowodorek sodu)/ Cytrynian trisodu 15±4 16±4-58.9 28±4 29±5-52.7 54±10 58±6-61.6

POMIARY RUCHLIWOŚCI ELEKTROFORETYCZNEJ Warunki pomiarowe: c p = 100 mg L -1, ph 5,5 T=298 K. -2.5-1.5-3.0-2.0 e mcm) (Vs) -1 ] -3.5-4.0 e [( mcm)(vs) -1 ] -2.5-3.0-3.5-4.5 cytrynian trisodu -4.0-5.0 10-4 10-3 10-2 10-1 I [M] -4.5 10-4 10-3 10-2 10-1 I [M] WZROST SIŁY JONOWEJ

MONOWARSTWY NANOCZĄSTEK SREBRA 15 ±5 nm 50 mg/l 28 ±5 nm 150 mg/l Czas osadzania t=60 min. Stężenie powierzchniowe: 334 μm -2 Czas osadzania t=2 min. Stężenie powierzchniowe: 54 μm -2 Czas osadzania t=1260 min. Stężenie powierzchniowe: 1384 μm -2 Czas osadzania t=40 min. Stężenie powierzchniowe: 276 μm -2

UKŁADAMY KULKI Adamczyk Z (2006) Interface Science and Technology: Particles at Interfaces: Interactions, Deposition, Structure. Elsevier, Amsterdam

KINETYKI OSADZANIA NANOCZĄSTEK SREBRA d p =15 nm 2000 1800 1600 1400 Warunki pomiarowe: I =0.01M, ph 5,5 T=293 K. N max =1636 μm -2 Θ=0.29 Transport dyfuzyjny cząstek do powierzchni płaskich N s Dt 2 1/2 n b D współczynnik dyfuzji Ns - stężenie powierzchniowe nanocząstek N s [ m -2 ] 1200 1000 800 600 400 20 min 17 h ---- teoria, model RSA Δ,, - SEM, - AFM Warunki osadzania: Stężenie suspensji: Δ- 100 mg/l, - 50 mg/l, - 20 mg/l 200 Pokrycie bezwymiarowe 0 0 10 20 30 40 t 1/2 [min 1/2 ] 2 dpn 4 s dp średnica nanocząstek Ns - stężenie powierzchniowe nanocząstek

Warunki pomiarowe: c p = 50 mg L -1, ph 5,5 T=293 K. d p =15 nm 2500 Stężenie powierzchniowe - N S [ m -2 ] 2000 1500 1000 500 ---- teoria, model RSA - SEM - AFM I=0.03 M I=0.01 M I=0.001 M I=0.0001 M 0.6 0,25 2,50 d p /2 0 0 10 20 30 t 1/2 [min] 1/2 Monowarstwa o kontrolowanym pokryciu Pokrycie maksymalne max 0.5 0.4 0.3 0.2 ---- teoria, model RSA,,, - dane eksperymentalne 0.1 0.0 10-4 10-3 10-2 10-1 I [M]

STABILNOŚĆ MONOWARSTW NANOCZĄSTEK SREBRA Warunki pomiarowe: I =0.01 M, ph 5,5 T = 298 K. Pokrycie 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 θ 0 =0.06 d p =15 nm D E S O R P C J A 0.01 ---- teoria - punkty eksperymentalne 0.00 0 20 40 60 80 100 120 t 1/2 [min 1/2 ] 6 DNI

KINETYKA DESORPCJI NANOCZĄSTEK SREBRA Warunki pomiarowe: I =0.01 M, ph 5,5 T=298 K. 0.0-0.2-0.4 d p =15 nm Równowagowa stała adsorpcji K a 2 D sb l 0 1/2 ln ( 0 ) -0.6-0.8 s l B 0 funkcja blokowania (~1) -1.0 Głębokość minimum energii -1.2-1.4 K a = 0.49 cm 16.8kT kt K a m 0 20 40 60 80 100 t 1/2 [min 1/2 ] Oćwieja M, Adamczyk Z, Kubiak K (2012) J.Colloid Interface Sci 376: 1-11

KINETYKI DESORPCJI NANOCZĄSTEK SREBRA Warunki pomiarowe: I=0.01 M, ph 5,5 T=298 K. 1.0 0.8 1 2 = -19.1 kt d p = 54 nm 0.6 = -18.3 kt d p = 28 nm 0.4 3 0.2 0.0 ---- teoria,,, - punkty eksperymentalne 0 20 40 60 80 100 = -16.9 kt d p = 15 nm Niezgodnie z teorią DLVO! t 1/2 [min 1/2 ] I [M] 10-4 10-2 0.1 d p [nm] K a [cm] ϕ m [kt] K a [cm] ϕ m [kt] K a [cm] ϕ m [kt] 15 3.0-18.8 0.48-16.9 0.39-16.7 28 5.0-19.3 1.9-18.3 1.1-17.7 54 24-20.8 4.0-19.1 1.0-17.7

KINETYKI DESORPCJI NANOCZĄSTEK SREBRA Warunki pomiarowe: I=0.01 M, ph 5,5. d p =15 nm 1.0 Koncepcja par jonowych 0.8 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 0.4 0.2 0.0 0 20 40 60 80 100 t 1/2 [min 1/2 ] T [K] 298 (25 o C) 323 (50 o C) 358 (85 o C) d p [nm] 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 0.48-16.9-16.9 0.15-15.7-17.0 0.10-15.3-18.4 28 1.9-18.3-18.3 0.68-17.3-18.8 0.28-16.3-19.6 54 4-19.2-19.2 1.18-17.8-19.3 0.68-17.3-20.8

Biologia, medycyna i diagnostyka biosensory, sondy biologiczne Wzmocniona powierzchniowo spektroskopia ramanowska (SERS) Kataliza Przemysł tekstylny antybakteryjne włókna Mikroelektronika diody i materiały przewodzące Optyka materiały antyrefleksyjne Modyfikatory bioszkieł Przemysł przewodzące farby, tusze Produkty użytku codziennego

WPŁYW NANOCZĄSTEK SREBRA NA ROZWÓJ BAKTERII Hipoteza: Nanocząstki srebra o zróżnicowanych właściwościach Powierzchniowych powinny wykazywać odmienne właściwości biobójcze. Pałeczka okrężnicy (łac. Escherichia coli) Gram-ujemna bakteria należąca do rodziny Enterobacteriaceae. Wchodzi w skład fizjologicznej flory bakteryjnej jelita grubego człowieka oraz zwierząt stałocieplnych. E. coli należy do organizmów modelowych wśród bakterii. Jej budowa, genetyka i metabolizm są dobrze poznane i wykorzystywane w różnorodnych badaniach biologicznych. Szczep ER2566 bakterie z dodatkowym genem tet S nadającym oporność na tetracyklinę Szczep K-12 najczęściej badany szczep MBC (ang. Minimal Bactericidal Concentration) - minimalne stężenie bakteriobójcze. Najmniejsze stężenie środka bakteriobójczego (np. antybiotyku), oznaczone w warunkach in vitro, przy którym ginie 99,% drobnoustrojów. MBC jest parametrem charakteryzującym leki przeciwbakteryjne. Określa jakie stężenie leku ma aktywność bakteriobójczą. Lek w stężeniu równym MBC zabija bezpośrednio formy wegetatywne drobnoustrojów.

WPŁYW NANOCZĄSTEK SREBRA NA ROZWÓJ BAKTERII Metoda seryjnych rozcieńczeń. 1 kolonia 0,5 ml Przygotowanie 2-wóch zawiesin bakteryjnych w medium Muller Broth: 2x 0,1 ml 0,1 ml 4x 8x Nanocząstki (n) Hodowla macierzysta 37⁰C, noc Hodowla do eksperymentu 2x10⁵ kom/ml 10⁵ kom/ml 37⁰C, do osiągnięcia OD=1 OD=1 gdy 10⁹kom/ml 2x 0,1 ml 0,1 ml 4x 0,1 ml n/k 0,1 ml 2xrozc. + n/k + 0,1 ml 0,1 ml 2x10⁵ kom/ml 10⁵ kom/ml 8x 0,1 ml 4xrozc. n/k + 0,1 ml 10⁵ kom/ml przesącz z zagęszczania nanocząstek (k) k n Inkubacja 18 h, 37⁰C, wytrząsanie, dostęp powietrza, Próbki zawsze w powtórzeniach! 50 ul odpowiedniego rozcieńczenia n/k (tzn. takiego by w kontroli było max. 1000 kolonii) liczenie kolonii oraz określanie przeżywalności bakterii Inkubacja 24 h, 37⁰C, dla każdej próbki co najmniej 2 szalki z agarem szalki z medium Muller Broth + 2 % agar z wysianymi bakteriami

WŁAŚCIWOŚCI BAKTERIOBÓJCZE NANOCZĄSTEK SREBRA Suspensja srebra/rodzaj reduktora (MBC) [mg/l] E. coli K12 E. coli ER2566 AFM SEM C Borowodorek sodu/ cytryniani trisodu 1.7 D 165 Chlorowodorek hydroksyloaminy 18.1 166 Kwas 3,4,5- trihydrohysybenzoesowy 5.2 20.6 Tanina 1.1 180 Fosfinian /heksametafosforan sodu 5.2 10.3 Fosfinian /tripolifosforan sodu 2.6 55

MIKROSKOPIA SIŁ ATOMOWYCH (AFM) W BADANIACH NAD ODDZIAŁYWANIEM NANOCZĄSTEK SREBRA NA MIKROORGANIZMY I KOMÓRKI Próbka kontrolna Stężenie biobójcze 1 Stężenie biobójcze 2

NANOCZĄSTKA NANOCZĄSTCE NIERÓWNA Możliwy wpływ procesów i przemian nanocząstek srebra, wynikający z rodzaju substancji stabilizujących zaadsorbowanych na ich powierzchniach, na mechanizmy ich aktywności biologicznej.

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ