NANOTEHNOLOGII Extrase consemnate de Marius Şerbănescu cu ocazia mesei rotunde cu tema Nanotehnologii, organizată de Proiectul Nanopol şi Asociaţia Academică de Promovare a Ştiinţei, Tehnicii şi Informării Corecte, în luna ianuarie 2008. Au prezentat materiale: Dr. Ing. Constantin Bolcu Dr. Ing. Corneiu Crăciunescu Dr. Ing. Dorin Jurcău 1. Ce este o nanotehnologie? Corneliu Crăciunescu Nanotehnologia este fabricarea unui produs cu o mărime geometrică controlată în care cel puţin un component funcţional are o mărime a particulelor mai mică de 100 nanometrii. Aceasta permite utilizarea efectelor chimice, fizice sau biologice care nu se produc peste parametrul crucial de 100 nm. Se poate face o diferenţă între nanoparticule sub 100 nm în una, două sau trei dimensiuni şi nanostructuri construite într-o matriţă. Datorită raportului mare suprafaţă per masă, materialele de dimensiuni nano au proprietăţi energetice speciale, proprietăţi care pot fi utilizate pentru o multitudine de efecte imposibil de atins cu produse convenţionale. Dorin Jurcău Prin nanotehnologii s-a realizat o revoluţie în utilizarea şi formularea substanţelor organice insolubile. Se pot produce astfel nanodispersii ale unor substanţe cu solubilitate scăzută precum biocizi, substanţe fluorescente, produse farmaceutice, coloranţi, arome, produse agrochimice, creme de protecţie la acţiunea soarelui, polimeri, conservanţi, ingredienţi alimentari, substanţe tensioactive, pesticide, înălbitori, etc. Nanodispersiile prezintă deseori performanţe superioare soluţiilor, emulsiilor şi dispersiilor convenţionale de particule (>1 micron). De asemenea, nanodispersiile organice au un avantaj crucial faţă de nanoparticulele anorganice: ele nu sunt persistente în mediul înconjurător. Tehnologiile nano au potenţialul de a reduce semnificativ cantitatea de solvenţi organici utilizaţi în diverse produse, de a extinde timpul de viaţă al ingredienţilor activi, de a accelera descoperirea de noi produse chimice, şi de a lărgi posibilitatea de a proteja prin patente produsele importante. 2. Nanotehnologiile şi activitatea substanţelor Constantin Bolcu Multe materiale active biologic au o solubilitate scăzută în apă. De exemplu, natura hidrofobă a agenţilor antimicrobieni, fungicidelor, insecticidelor, este deseori un factor care contribuie la activitatea materialelor. Formulările acestor produse au în vedere hidrofobia şi activitatea lor. Formarea unor nanodispersii din aceste materiale modifică substanţial datele problemei. De exemplu, în figurile 1 si 2 este comparată activitatea unui agent antimicrobian comercial (este măsurată concentraţia minimă de inhibare -MIC), dizolvat într-o soluţie de apă/ etanol şi aflat în stare de nanodispersie în apă. Figura 1. Activitatea unui agent antimicrobian comercial dizolvat într-o soluţie de apă/ etanol (este măsurată concentraţia minimă de inhibare - MIC) Figura 2. Activitatea unui agent antimicrobian comercial aflat în stare de nanodispersie în apă (este măsurată concentraţia minimă de inhibare - MIC) Se observă că activitatea unui agent antimicrobian comercial împotriva bacteriilor gram pozitive este de circa 8 ori mai mare dacă el se află în stare de nanodispersie în apă faţă de cazul în care este dizolvat într-o soluţie de apă/ etanol, respectiv concentraţia minimă de inhibare este de circa 8 ori mai mică în primul caz faţă de cel de al doilea. Obţinerea unor produse apoase ale unor agenţi fluorescenţi hidrofobi este dificilă, în special într-un mediu micelar. Nanodispersarea agenţilor fluorescenţi nu numai că permite obţinerea unor dispersii stabile dar înbunătăţeşte şi randamentul. Multe medicamente nu îşi pot arăta adevăratul potenţial datorită solubilităţii lor scăzute. Din 1995, mai mult de 90% din medicamentele aprobate prezintă o solubilitate scăzută. Pentru a contrabalansa această problemă se apelează la tot felul de metode, fiecare având limitări semnificative. Nanotehnologiile permit rezolvarea acestei probleme. În figura 3 este prezentată dispersarea în apă a unui produs farmaceutic standard (poziţia 1) şi a unui produs farmaceutic obţinut prin nanodispersie (poziţia 2), după 3 minute. Figura 3. Dispersarea în apă a unui produs farmaceutic după 3 minute. 1) produs standard şi 2) produs farmaceutic obţinut prin nanodispersie. 3. De ce oamenii nu cunosc prea multe lucruri despre produse bazate pe nanotehnologii? Corneliu Crăciunescu Nanotehnologiile au devenit o parte a vieţii noastre de ceva timp. Deşi produsele obţinute prin nanotehnologii sunt utilizate deseori de oameni, acest lucru este destul de puţin cunoscut. Astfel, crema care ne protejează de radiaţia solară UV are încorporat în ea dioxid de titan cu particule de dimensiuni nano. Ochelarii de soare au lentile de plastic rezistente la zgâriere datorită tratamentului acestora cu nanoparticule de dioxid de zirconiu şi dioxid de titan. Negrul de fum este utilizat de mulţi ani pentru producerea anvelopelor. Particulele de negru de fum ce au dimensiuni în domeniul nano penetrează reţeaua macromoleculei cauciucului formând o a doua reţea care reduce semnificativ abraziunea cauciucului. Vitaminele insolubile în apă şi precursorii lor pot fi dispersate stabil în apă în forma nano, astfel devenind mai potrivite pentru organismul uman. Astfel de vitamine sunt utilizate în multe limonade şi sucuri, conferindu-le acestora ca extra beneficiu şi o culoare atractivă. În prezent, piaţa pentru produse obţinute prin nanotehnologii este mai mare de 100 miliarde euro şi se aşteaptă o creştere până în 2015 la mai mult de 1000 de miliarde. 4. Particule nano-structurate hibride Dorin Jurcău Datorită numeroaselor lor proprietăţi atractive, particulele de polimeri pot fi utilizate ca şi matriţe pentru sinteza, stocarea şi transportul materialelor nanostructurate. Particulele polimerice pot fi utilizare pentru prepararea materialelor compozite la scară submicronică. Acest lucru se poate realiza prin introducerea diferitelor materiale precum polimeri conjugaţi, proteine, semiconductori, metale sau oxizi metalici, biominerale, în formă de nanoparticule în structura poroasă de microgel sau pe suprafaţa particulelor de latex. În acest mod se aşteaptă formarea de coloizi multi funcţionali unde proprietăţile tipice ale particulelor polimerice (mărime definită şi morfologie, suprafaţă specifică mare, etc.) pot fi combinate cu proprietăţile materialelor funcţionale incorporate precum conductivitatea, răspunsul magnetic, activitatea catalitică, etc. Aceste combinaţii deschid noi posibilităţi pentru aplicarea particulelor coloidale în diferite sisteme tehnologice. Posibilitatea de a utiliza microgelurile apoase ca microreactoare pentru sinteza şi stocarea diferitelor materiale nanostructurate a fost demonstrată recent de Kumacheva si echipa sa [18]. Diferite materiale funcţionale pot fi incorporate în microgeluri sau în particulele de latex prin diferite metode: • încapsulare în timpul sintezei microgelului. În acest caz, materialul încorporat, cu proprietăţi preselectate (mărime, morfologie, etc.) este închis mecanic în reţeaua polimerică. • Nanoparticulele pot fi generate în interiorul microgelului gonflat sau pe suprafaţa particulelor de latex ce acţionează ca matriţe. În acest caz se poate aştepta că structura matriţei polimerice va influenţa proprietăţile nanoparticulelor formate ca şi fixarea lor şi distribuţia în interiorul microgelului sau la suprafaţa latexului. • Se pot prepara microgeluri compozite utilizând aşa numita metodă "breathing in", absorbirea nanoparticulelor în reţeaua microgelului în timpul procesului de gonflare sau adsorbirea lor pe suprafaţa particulelor de latex. Exemple de astfel de materiale sunt particulele polimerice cu structura de tip miez-manta fabricate prin copolimerizarea în emulsie fără emulgator a stirenului cu metacrilatul de acetoacetoxietil. Ele au fost utilizate cu succes la depunerea a diferite materiale anorganice pe suprafaţa lor (nanoparticule de oxizi metalici, sulfuri metalice, oxizi magnetici). Un alt tip de polimer de acest tip se poate obţine prin polimerizarea stirenului cu PEG - macromonomeri [19-22]. Gruparea dicetonică din polimer are abilitatea de a complexa metalele şi de a crea legături de hidrogen cu diferite materiale anorganice. Se poate controla cantitatea de nanoparticule aflate pe suprafaţa polimerului, morfologia particulelor hibride, sau proprietăţile coloidale ale hibrizilor. În figura 4 se prezintă imaginea obţinută cu microscopul electronic a unor astfel de particule. Figura 4. Particule compozite Compozite de acest fel şi-au găsit utilizări la prepararea senzorilor pentru umiditate, la separarea moleculelor organice, sau în vopsele anticorozive. Particulele hibride ce conţin nanoparticule de metale nobile integrate în reţeaua microgelului se pot utiliza ca şi catalizatori pentru sinteză chimică în sisteme apoase sau pentru epurarea apei. Activitatea catalitică a nanoparticulelor metalice este controlată de matricea microgelului. De exemplu prin gonflarea termoreversibilă a microgelului se poate controla distanţa dintre nanoparticulele din reţea. De asemenea, difuzia reactanţilor şi adsorbţia lor pe suprafaţa catalizatorului poate fi mai bine controlată. Particulele de microgel ce conţin oxizi metalici magnetici pot fi utilizate ca şi suport pentru enzime utilizate la înălbirea textilelor sau la epurarea apelor reziduale. Microgelurile cu biominerale încorporate precum hidroxiapatitul sau carbonatul de calciu pot fi utilizate în medicamente. Combinarea coloizilor polimerici cu nanoparticule anorganice este o cale interesantă de preparare a particulelor nano structurate hibride cu proprietăţi interesante. 5. Nanotehnologii pentru îndepărtarea contaminanţilor din apa reziduală Constantin Bolcu Odată cu creşterea rapidă a industrializării a crescut şi necesarul de apă potabilă, în termeni calitativi şi cantitativi. Prezenţa contaminanţilor precum substanţele organice naturale (NOM) şi a unor mici cantităţi de substanţe organice care se acumulează în organism crează mari probleme la epurarea apelor. Tehnologia coagulării/ floculării şi clorurarea este cea mai utilizată tehnologie pentru îndepărtarea contaminanţilor. Totuşi prin această tehnologie nu pot fi îndepărtaţi complet toţi contaminanţii. În plus, expunerea la aluminiu este suspectată că joacă un rol în declanşarea bolii Alzheimer. Substanţele organice naturale (NOM) reacţionează cu majoritatea dezinfectanţilor utilizaţi în staţiile de epurare clasice (clor, ozon, cloramină, etc), dând naştere la produse secundare precum trihalometani (THM), acizi haloacetici (HAA), bromoform (CHBr3), acid dibrom acetic (DBAA), şi 2,4-dibrom fenol (2,4-DBP), care sunt substanţe cancerigene. Utilizarea membranelor de micro/ ultra filtrare în procesul de tratare a apei este o metodă modernă de producere a apei potabile de calitate. Totuşi membranele clasice au tendinţa de a pierde material, iar prin porii creaţi trec substanţele organice naturale (NOM), substanţele organice care se acumulează în organism şi microorganismele. Nanotehnologiile au un mare potenţial în domeniul separărilor moleculare, oferind materiale cu structură controlată. Particulele de dioxid de titan de mărime nano sunt fotocatalizatori eficienţi ce au atras atenţia cercetătorilor care se ocupă de purificarea apei, prin capacitatea lor de a îndepărta acizii humici din apă. Totuşi, utilizarea particulelor de dioxid de titan de dimensiuni nano ca şi fotocatalizatori este dificilă, datorită problemelor pe care le implică separarea şi recuperarea catalizatorului. Cercetători din Singapore au reuşit să obţină o membrană robustă din nanofibre de dioxid de titan care va avea un potenţial mare în procesul de purificare a apei. Membrana aceasta joacă un dublu rol. Ea acţionează atât ca membrană de filtrare cât şi ca fotocatalizator. În prezenţa luminii UV, nanofibra de dioxid de titan produce un efect puternic oxidant. Materialul poate fi utilizat şi în condiţii de lumină solară. Eficienţa membranei de a îndepărta acizii humici şi substanţele organice din apă este de circa 57-60% în absenţa luminii UV şi de 94-100% în prezenţa luminii UV. Producerea unor membrane de filtrare eficiente, cu un cost scăzut va avea drept efect scăderea costului producerii apei potabile. Membrana de nanofibre de dioxid de titan se pare că va putea fi utilizată şi la producerea hidrogenului, o sursă de energie nepoluantă. 6. Nanotehnologii în industria vopselelor Dorin Jurcău Nanotehnologiile nu sunt noi pentru industria vopselelor. Acum 2000 de ani, arhitectul roman Marcus Vitruvius Pollio a utilizat funingine produsă sintetic la obţinerea vopselelor. Astăzi se cunoaşte că funinginea este formată din nanoparticule. În ultimii ani au fost introduse în domeniul vopselelor importante produse bazate pe nanotehnologii: 1) vopsele uşor de curăţat Floarea de lotus este totdeauna uscată şi curată. Dacă este privită la microscop electronic, se observă că floarea de lotus prezintă pe suprafaţa sa un mare număr de protuberanţe extrem de mici, distanţate la 10-25 microni una de alta. Aceste protuberanţe sunt acoperite cu cristale de ceară ce resping apa. Combinaţia de suprafaţă hidrofobă şi microstructură previne umectarea suprafeţei de către apă. Picăturile de apă ce cad pe această suprafaţă îndepărtează particulele de praf. Vopselele ce prezintă proprietăţile florii de lotus, fiind uşor de curăţat, au fost introduse cu succes pe piaţă, în special pentru vopsirea faţadelor. Ele se obţin cu ajutorul unor lianţi hidrofobi şi a unor pigmenti anorganici la scară nano. 2) vopsele de efect Vopselele de efect, care imită aspectul unei perle sau aripile unui fluture, au necesitat dezvoltarea unor pigmenţi speciali pe bază de metale şi oxizi metalici. Aceţti pigmenţi ce îşi modifică culoarea în funcţie de unghiul de privire sau de intensitatea luminii au la bază tot nanotehnologii. 3) vopsele antibacteriene Argintul de mărime nano încorporat în vopsele de pereţi are un puternic efect antibacterial. Aceste vopsele se utilizează în special la vopsirea spitalelor, a halelor unde se procesează alimente, precum brutării, măcelării, etc. 4) vopsele rezistente la zgâriere Particulele ceramice la scară nano îmbunătăţesc rezistenţa la zgâriere a lacurilor auto şi le fac rezistente la impact mecanic. 5) vopsele fotocatalitice Razele UV din lumina solară produc reacţii fotocatalitice în vopsele conţinând dioxid de titan. Acest fapt permite degradarea particulelor organice de murdărie şi poluanţi. S-au dezvoltat astfel vopsele pentru pereţi la care lumina vizibilă este suficientă pentru a produce degradarea catalitică a substanţelor odorizante precum cele provenite din fumul de ţigară sau din solvenţi. 6) vopsele cu protecţie UV Lemnul este sensibil la radiaţia UV, el se închide la culoare în timp. Au fost dezvoltate baiţuri pentru lemn cu oxizi de fier transparenţi cu mărimea particulelor de 5-100 nm, care protejează lemnul împotriva distrugerii datorate luminii. 7) vopsele ce ecranează undele electromagnetice de înaltă frecvenţă Mulţi oameni sunt sensibili la electrosmog. Vopselele de pereţi cu fibre de carbon şi particule de negru de fum de dimensiune nano acţionează ca un ecran împotriva a 99% din undele electromagnetice de înaltă frecvenţă. Ele pot acţiona de asemenea ca un scut faţă de interferenţa câmpuluielectromagnetic în laboratoarele unde se fac măsurători şi în centrele de calculatoare. Industria vopselelor va avea o importanţă majoră în această creştere. Circa 30% din totalul vopselelor ce se vor vinde în 2015 vor fi bazate pe nanotehnologii. 8) vopsele cu conţinut scăzut de compuşi organici volatili (VOC) Limitarea emisiei de substanţe organice volatile (VOC) de către vopsele este o cerinţă a Uniunii Europene cu largi repercursiuni asupra acestei industii. Vopselele diluabile cu apă sunt in marea majoritate bazate pe lianţi de tipul polimerilor obţinuţi prin polimerizare în emulsie. Aceste vopsele necesită la formarea peliculelor agenţi coalescenţi. Pentru a elimina agenţii coalescenţi există două posibilităţi: a) Să se formuleze polimeri care au o temperatură de tranziţie sticloasă (Tg) scăzută. Astfel de polimeri au însă proprietăţi mecanice şi de rezistenţă nesatisfăcătoare. b) Să se formuleze polimeri nanostructuraţi de tip miez-manta, în care miezul este format din copolimeri cu Tg ridicat iar mantaua din copolimeri cu Tg scăzut. Nanotehnologia este tehnologia viitorului. Ea permite introducerea de noi funcţionalităţi într-un produs. În industria vopselelor acest fapt va duce la produse cu proprietăţi esenţial îmbunătăţite. Pentru viitor se lucrează la câteva proiecte interesante legate de nanotehnologii: • utilizarea suprafeţelor vopsite cu produse bazate pe nanotehnologii pentru generarea de energie solară. • vopsele care se autoregenrează îşi vor repara singure micile zgârieturi fără o intervenţie exterioară. • vopsele piezoelectrice vor arăta oboseala materialelor în timp real, de exemplu la poduri. • vopsele cameleonice care îşi modifică culoarea reversibil. Astfel, pe ceaţă, autovehiculele vor putea deveni mult mai vizibile printr-o simplă apăsare pe un buton. 7. Toxicologia substanţelor la scară nano Constantin Bolcu O problemă serioasă este faptul că nu se cunosc decât foarte puţine lucruri despre impactul nanoparticulelor asupra corpului uman. S-au făcut unele teste pe cosmetice care au arătat că dioxidul de titan la scară nano nu penetrează prin piele. Totuşi testele nu au fost complete. Unele studii pe animale au arătat că nanoparticulele pot produce la inhalare daune plămânilor. Dezvoltarea produselor la scară nano va atrage după sine cât de curând şi studierea aprofundată a impactului acestor produse pentru om.
Posted on: Tue, 13 Aug 2013 19:22:48 +0000
Trending Topics
Recently Viewed Topics
© 2015