Niezwykły świat nanomateriałów węglowych

Nanorurki węglowe - zdjęcie SEM

Pędzący postęp cywilizacyjny sprawia, że nieustannie poszukuje się materiałów, które będą w stanie nadążyć za naszymi oczekiwaniami, oferując nowe funkcje lub znacznie lepsze właściwości w stosunku do tego, co stało się dla nas chlebem powszednim. Narodziny nanotechnologii pod koniec XX w. otworzyły nowy rozdział nauki, który pozwolił nam uwierzyć, że będziemy w stanie zaoferować światu rozwiązania spełniające te surowe wymogi i zdolne poprawić świat, jaki znamy.

Szczególne miejsce w tym obszarze zajmują nanomateriały węglowe, które dzięki bogatej chemii węgla pozwalają na budowanie struktur o najróżniejszym kształcie, a co za tym idzie, radykalnie różnych od siebie właściwościach. Jedną z najbardziej obiecujących form węgla są tzw. nanorurki węglowe, które można sobie wyobrazić jako zwiniętą w rulon warstwę węgla powszechnie zwaną grafenem. Sposób, w jaki ta warstwa jest zwinięta, determinuje następnie to, jaką charakterystykę (metaliczną czy półprzewodnikową) będzie miała otrzymana nanorurka węglowa. Odpowiednie ułożenie atomów węgla może dać materiał zdolny przewodzić prąd elektryczny dużo sprawniej niż miedź lub aluminium (nanorurki metaliczne), albo też konkurować z krzemem na arenie komponentów elektronicznych (nanorurki półprzewodnikowe).

Niestety, podczas ich syntezy otrzymuje się 30-50 rodzajów nanorurek węglowych jednorodnie wymieszanych ze sobą, tworzących czarny proszek o właściwościach dużo gorszych od oczekiwanych. Z racji bardzo subtelnych różnic strukturalnych między nanorurkami węglowymi, mającymi średnicę ok. 100 000 razy mniejszą niż ludzki włos, rozdział takich mieszanin na poszczególne frakcje jest jedną z głównych przeszkód na drodze ich implementacji w życiu codziennym.

Proszek z nanorurek węglowych

Przeprowadzone badania pozwoliły na opracowanie prostej techniki rozdziału nanorurek węglowych na poszczególne typy w zaledwie jednym kroku, bazującej na metodzie dwufazowej ekstrakcji wodnej stosowanej od XIX w. do oczyszczania materiałów biologicznych. Kluczem okazało się wykorzystanie do tego celu powszechnie dostępnych polimerów, środków powierzchniowo czynnych oraz specjalnie dobranych związków chemicznych (amoniak lub hydrazyna), które przy odpowiednim doborze stężeń ze szczególną precyzją (na poziomie 0.1 nm) selekcjonują pożądany typ nanorurek węglowych. Co istotne, przeprowadzenie tego procesu nie wymaga skomplikowanej aparatury chemicznej lub know-how z określonej dziedziny, dlatego przewiduje się, że zaproponowana prosta metoda otrzymania nanomateriału węglowego o ściśle określonej strukturze umożliwi wielu badaczom różnych profesji prowadzenie dokładnych badań naukowych, które zaowocują lepszym zrozumieniem świata na poziomie nano.

Warto zauważyć, że technologie oczyszczania związków chemicznych stanowią często jeden z kluczowych kosztów procesowych. Mając na uwadze, że system dwufazowej ekstrakcji wodnej został oryginalnie zaprojektowany do oczyszczania związków biologicznie aktywnych, z których duża część wykorzystywana jest w procesach farmaceutycznych, można oczekiwać, że znaczne usprawnienie tego procesu, dzięki zaprezentowanemu osiągnięciu, może prowadzić ostatecznie do redukcji cen leków specjalistycznych lub innych związków z grupy fine chemicals.

dr hab. inż. Dawid Janas, prof. PŚ

Absolwent Wydziału Chemicznego Politechniki Śląskiej. W latach 2010–2016 pracował w Uniwersytecie Cambridge w Wielkiej Brytanii, gdzie uzyskał stopień doktora (2014), a następnie odbył staż podoktorski. W 2016 r. został laureatem programu POLONEZ, który pozwolił mu wrócić do kraju, aby realizować samodzielne badania w zakresie chemii nanomateriałów. Obecne zainteresowania naukowe obejmują obszar inżynierii materiałowej, chemii oraz fizyki stosowanej ze szczególnym naciskiem na wykorzystanie do tego celu nanostruktur węglowych oraz innych materiałów niskowymiarowych. W 2018 r. uzyskał stopień doktora habilitowanego i założył swój własny zespół badawczy Functional Nanomaterials Group. Autor ponad 45 publikacji naukowych oraz kierownik projektów finansowanych przez NCN, NCBiR, MNiSW i NAWA. Laureat stypendium dla młodych wybitnych naukowców.

Data publikacji: 18.02.2019