Ανάπτυξη λειτουργικών υβριδικών συστημάτων νανοσωματιδίων για περιβαλλοντικές και βιολογικές εφαρμογές
Authors: Περδικάκη Άννα 
Published: September 2021

Η ανάπτυξη και η μελέτη υβριδικών συστημάτων νανοσωματιδίων για περιβαλλοντικές και βιολογικές εφαρμογές διεγείρουν το επιστημονικό ενδιαφέρον και αποτελούν αντικείμενο μελέτης της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Πιο αναλυτικά, υποστηριγμένα μεταλλικά νανοσωματίδια προσκολλημένα σε υποστρώματα και μη υποστηριγμένα μεταλλικά νανοσωματίδια εξετάστηκαν για καταλυτικές και αντιβακτηριακές εφαρμογές και απέδωσαν εξαιρετικά αποτελέσματα. Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκαν καινοτόμα υβριδικά υλικά με νανοσωματίδια Au για να εφαρμοστούν σε οξείδωση CO καθώς και καινοφανή υβριδικά υλικά με νανοσωματίδια Ag και Cu για να εξεταστούν σε αντιβακτηριακή εφαρμογή. Η ανάπτυξη των υβριδικών υλικών με νανοσωματίδια Au έλαβε χώρα αξιοποιώντας τις εξαιρετικές φυσικοχημικές και θερμοφυσικές ιδιότητες των ιοντικών υγρών, που παρουσιάζονται μέσα στην πορώδη δομή ανόργανων υποστρωμάτων. Ταυτόχρονα, παρατηρήθηκε σημαντική πρόοδος στην κατανόηση της επίδρασης αυτών των ιδιοτήτων στο διαχωρισμό αερίων και στη καταλυτική διεργασία μέσω των αναπτυγμένων υποστηριγμένων φάσεων ιοντικών υγρών και των στερεών καταλυτών με στρώματα ιοντικών υγρών. Οι Στερεοί Καταλύτες με Στοιβάδες Ιοντικών Υγρών (ΣΚΣΙΥ) παράχθηκαν με πλήρη διασπορά νανοσωματιδίων Au πάνω στις στοιβάδες των ιοντικών υγρών, που βρίσκονται μέσα στην νανοπορώδη δομή των πυριτικών υποστρωμάτων. Η παρουσία της στοιβάδας ΙΥ μέσα στο αναπτυγμένο ΣΚΣΙΥ επικουρεί στο σχηματισμό πολύ μικρών (2-3 nm) και καλά σταθεροποιημένων νανοσωματιδίων Au. Η απόδοση της οξείδωσης CO σε χαμηλές θερμοκρασίες ήταν 22%. Τα καταλυτικά πειράματα έδειξαν μια πρόσθετη λειτουργικότητα του ιοντικού υγρού, κατά την οποία δρά ως ισχυρός ροφητής που παγιδεύει το προιόν (CO2) από την πλευρά της αντίδρασης και βελτιώνει την απόδοση. Πολυστρωματική κεραμική μεμβράνη αποτέλεσε το υπόστρωμα στο μεγαλύτερης κλίμακας υβριδικό λειτουργικό σύστημα νανοσωματιδίων Au, που εξετάστηκε. Η μεμβράνη τροποποιήθηκε με χημική σύνδεση ενός ιοντικού υγρού (Μεμβράνη Υποστηριγμένης Φάσης IY) πάνω στην πορώδη επιφάνεια της ζιρκονίας. Η μεμβράνη κατέστει καταλυτικά ενεργή για οξείδωση CO, αναπτύσσοντας πολύ μικρά και δραστικά νανοσωματίδια Au (AuNΣ). Τα νανοσωματίδια αυτά αποτέλεσαν την ενεργή φάση, που υποστηρίχθηκε πάνω στα τοιχώματα της πορώδους μεμβράνης στα οποία ήταν ενσωματωμένο το ιοντικό υγρό που σταθεροποιεί τα νανοσωματίδια. Το εγκλωβισμένο IY, το οποίο έχει τη δυνατότητα να προσροφά φυσικά, ισχυρά και επιλεκτικά το αέριο CO2, απομακρύνει το παραγόμενο CO2. Yβριδικά γραφένια με υποστηριγμένα νανοσωματίδια Ag και Cu αναπτύχθηκαν για το σχηματισμό καινοτόμων νανοϋλικών για βιολογικές εφαρμογές. Τα μονομεταλλικά νανοσωματίδια Ag, Cu και τα διμεταλλικά νανοσωματίδια Ag/Cu αναπτύχθηκαν «επιτόπια» στην επιφάνεια του γραφενίου, που δρα ως υπόστρωμα. Γραφένιο που αποτελείται από 2-5 στοιβάδες γραφενίου παρασκευάστηκε σε ένα στάδιο χωρίς καμμία χημική τροποποίηση. Η σύνθεσή του υλικού ήταν απλή και πραγματοποιήθηκε με τεχνική χημικής εναπόθεσης ατμών (Chemical Vapor Deposition, CVD), που είναι ιδανική για μεγάλης κλίμακας παραγωγή. Η αντιβακτηριακή δράση των υβριδικών νανοϋλικών μελετήθηκε ενάντια σε κύτταρα Escherichia coli και η απόδοσή τους εκτιμήθηκε μέσω μιας σειράς παραμετροποιημένων πειραμάτων, που περιλάμβαναν την επίδραση της συγκέντρωσης των μόνο- (Ag, Cu) και δι- (Ag/Cu) μεταλλικών υποστηριγμένων νανοσωματιδίων σε γραφένιο, των μη-υποστηριγμένων νανοσωματιδίων Ag και του γραφενίου. Μη υποστηριγμένα νανοσωματίδια Ag αναπτύχθηκαν σε αυτο-οργανωμένες δομές από τριαδρομερή αμφιφιλικά συμπολυμερή μέσα σε επιλεγμένους διαλύτες. Η ανάπτυξη σε αυτές τις δομές περιοριστικού περιβάλλοντος πλεονεκτεί στον έλεγχο της μορφολογίας των νανοσωματιδίων και τη διατήρηση σταθερότητας. Η αντιβακτηριακή δράση αυτών των νανοσωματιδίων Ag μελετήθηκε συγκριτικά με την απόδοση των υποστηριγμένων μονο- και δι- μεταλλικών νανοσωματιδίων στο γραφενίο σε βακτηριακά κύτταρα Escherichia coli. Ωστόσο, τα υβριδικά γραφένια διμεταλλικών νανοσωματιδίων Ag/Cu παρουσίασαν υψηλή απόδοση σε σύγκριση με όλα τα άλλα υλικά που δοκιμάστηκαν, δηλαδή των μονομεταλλικών δομών γραφενίου καθώς και των κολλοειδών νανοσωματιδίων, επιτυγχάνοντας πλήρη βακτηριακή αναστολή σε όλες τις μεταλλικές συγκεντρώσεις που μελετήθηκαν. Αυτή η εντυπωσιακή απόδοση αποδίδεται στην συνεργειακή δράση των δύο διαφορετικών μετάλλων που συνυπάρχουν στην επιφάνεια, ταυτόχρονα με τον ενισχυτικό ρόλο του υποστρώματος γραφενίου.