Strona główna

Nanoskarby

Numer 6/2020
Mikroskopowy obraz agregatu nanocząstek złota (większe, żółtobrązowe) i tlenku cyny(VI) (mniejsze, niebieskie). Kolory nadane sztucznie Mikroskopowy obraz agregatu nanocząstek złota (większe, żółtobrązowe) i tlenku cyny(VI) (mniejsze, niebieskie). Kolory nadane sztucznie Georgy Shafeev / Shutterstock
Moda na nanocząstki zawojowała cały świat. Czym są cuda nanotechnologii w naszych domach?
Puchar Likurga zachwyca barwą zmieniającą się w różnych warunkach oświetlenia. Efekt wywołują nanocząstki złota i srebra rozproszone w szkle.Wikimedia Commons/Wikipedia Puchar Likurga zachwyca barwą zmieniającą się w różnych warunkach oświetlenia. Efekt wywołują nanocząstki złota i srebra rozproszone w szkle.

Doświadczenie 1

Miedzianą mufkę zalej w pojemniku na mocz 20 ml octu wymieszanego pół na pół z wodą utlenioną i zostaw na noc. Uzyskasz tak roztwór octanu miedzi. Kolejnego dnia rozpuść łyżeczkę granulek środka do udrożniania rur w 40 ml wody. Rozlej po 10 ml do czterech pojemników na mocz. W pierwszym dokładnie rozpuść 2 łyżeczki glukozy, następnie połowę objętości płynu przenieś strzykawką do drugiego pojemnika, dobrze wymieszaj i połowę zawartości przenieś do trzeciego. Wymieszaj zawartość trzeciego pojemnika i połowę zawartości przelej do czwartego. Wymieszaj płyn w ostatnim pojemniku i wylej do zlewu jego połowę (objętość mieszaniny musi być taka sama we wszystkich naczyniach). Czystą strzykawką wlej do każdego pojemnika po 2 ml niebieskiego roztworu octanu miedzi i dokładnie zamieszaj. Przez 7 godzin obserwuj barwy zbierających się na dnie osadów.

Wyjaśnienie: W środowisku zasadowym (dodatek udrożniacza zawierającego NaOH) wytrąca się wodorotlenek miedzi, który reaguje z glukozą. Po pewnym czasie z roztworu wytrąca się osad tlenku miedzi(I), czyli Cu2O (płyn staje się mętny i zielonkawy). W zależności od rozmiaru cząsteczek barwa osadu może być kremowa (<5 nm), żółta (ok. 25–50 nm), pomarańczowa, ceglastoczerwona (nanocząstki o rozmiarach 200– 600 nm), a nawet brązowa. Im cząstki są większe, tym łatwiej opadają na dno. Rozmiarem nanocząstek można sterować, dobierając stężenia reagentów – gdy glukozy jest dużo, łatwo inicjuje ona powstawanie wielu mikrokryształów Cu2O, które nie mają szansy narastać do dużych rozmiarów. Niskie stężenie glukozy sprzyja wzrastaniu istniejących nanocząstek oraz ich zbijaniu się w większe agregaty. Na rozmiar nanocząstek mają wpływ także stężenie NaOH, octanu miedzi oraz dodatków, np. detergentów. Zapobiegają one zbijaniu się nanocząstek w duże agregaty.

Doświadczenie 2

Do 10 ml zawiesiny nanocząstek Cu2O (można wpierw zmieszać roztwory z doświadczenia 1, a gdy osad opadnie na dno, pobrać go strzykawką, starając się, żeby płynu było w niej jak najmniej) dodaj 10–15 kropel wody utlenionej. Obserwuj zmiany barwy.

Wyjaśnienie: W obecności wody utlenionej Cu2O szybko ulega utlenieniu do czarnego tlenku miedzi(II), czyli CuO. Ale to nie koniec reakcji, bo nanocząstki CuO działają jak katalizator, przyspieszając rozkład nadtlenku wodoru do wody i tlenu. Dlatego intensywne wydzielanie gazu zachodzi jeszcze długo po zmieszaniu obu roztworów i zmianie barwy nanocząstek. Reakcję przyspieszają zasadowe środowisko i obecność jonów chloru (a zatem np. dodatek soli kuchennej). Co ciekawe, reakcja ta może zachodzić także w odwrotnym kierunku – działanie silnym światłem pozwala na aktywację nanocząstek CuO i fotochemiczną produkcję nadtlenku wodoru z wody nasyconej tlenem.

Doświadczenie 3

Zawiesinę nanocząstek z doświadczenia 2 uzupełnij czystą wodą do 100 ml. Gdy cząstki opadną na dno, zlej roztwór znad osadu i przepłucz pozostałość świeżą porcją 100 ml wody. Gdy nanocząstki CuO ponownie opadną na dno, za pomocą strzykawki pobierz 4 ml czystej wody (nie powinna być niebieska) znad osadu. Użyj jej do rozrobienia mąki, by przygotować papkę, którą umieścisz w czystym pojemniku na mocz. Następnie przygotuj drugie „ciasto”, ale wykorzystując 4 ml pobranych z dna nanocząstek CuO, które należy umieścić w osobnym czystym pojemniku na mocz. Na każdym cieście połóż kłaczek kurzu. Pojemniki zakręć i zostaw na parapecie na 1–2 tyg.

Wyjaśnienie: Nanocząstki miedzi w obecności światła produkują odkażający nadtlenek wodoru oraz inne toksyczne rodniki. Reagują też z wydzielanymi przez mikroorganizmy kwasami, powodując powstawanie rozpuszczalnych w wodzie soli miedzi, zachłannie pobieranych przez komórki. Związki miedzi są im potrzebne do wzrostu, lecz ich nadmiar jest dla nich toksyczny – działa tym samym grzybo- i bakteriobójczo. Dlatego dodatek nanocząstek spowalnia pleśnienie ciasta lub jemu zapobiega.

Doświadczenie 4

Używając ostrego noża, zeskrob na białe wieczko opakowania po serku homogenizowanym kilka białych wiórów z kawałka zakupionego w aptece lapisu. Za pomocą wykałaczki rozpuść wióry w kropli czystej wody i dodaj kroplę soku z cytryny lub pomarańczy. Obserwuj, co się dzieje.

Wyjaśnienie: Lapis składa się głównie z azotanu srebra, rozpuszczalnej w wodzie soli. Jony srebra bardzo łatwo zredukować. Otrzymuje się przy tym szaroczarne agregaty nanocząstek metalicznego srebra. Aby je wytworzyć, można użyć glukozy, fruktozy, witaminy C czy kwasu cytrynowego – składników często występujących w sokach roślinnych. Dlatego opracowano wiele metod produkcji nanocząstek o pożądanej wielkości dzięki ekstraktom z soków cytrusów, liści bazylii, aloesu czy owoców róży. Te bezpieczne dla środowiska i niegenerujące toksycznych odpadów metody nazywa się zieloną chemią (ang. green chemistry).

***

dr hab. Renata Szymańska
Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH

dr Paweł Jedynak
Zakład Fizjologii i Biochemii Roślin WBBiB UJ

***

Zestaw przyrządów i materiałów

woda utleniona, miedziana mufka, ocet spirytusowy 10%, lapis do usuwania brodawek, pojemniki na mocz, strzykawka, owoce cytrusowe, pudełko po serku homogenizowanym, wykałaczki, środek do udrożniania rur, glukoza spożywcza, rękawiczki ochronne

Czas przygotowania: 3 godz.
i oczekiwanie 2 tyg.

KOSZT: 65 ZŁ

***

Uwaga! NaOH jest żrący!
Używaj rękawiczek i okularów ochronnych! Sole miedzi i srebra mogą być toksyczne.

***

Wiedza w pigułce

Drobiny mające 1–100 nm średnicy to nanocząstki. Używaliśmy ich od setek lat, nie wiedząc o tym – barwne glinki stosowane przez Celtów do wyrobu emalii ceramicznych zawierały często drobiny zmielonych na pył tlenków metali. Skarb Cesarstwa Rzymskiego, kielich Likurga, zawiera nanocząstki złota i srebra, zmieniające barwę szkła w zależności od kąta padania światła. Koloidami złota barwiono witrażowe szkła średniowiecznych katedr. Lecz pierwszy syntezę koloidów (zawiesin) nanocząstek złota opisał w 1857 r. Michael Faraday, kładąc tym samym podwaliny nanotechnologii. Dopiero XX w. pozwolił niezwykle precyzyjnie sterować rozmiarami nanocząstek, a po zbadaniu ich własności – umiejętnie je wykorzystać. Dziś wiemy, że nie są to pojedyncze cząsteczki związku chemicznego, ale całe ich skupienia, agregaty lub mikroskopijne kryształy, zwykle nie większe niż 0,0001 mm! Znajdziemy je w środkach ochrony roślin, paście do zębów, a nawet w skarpetkach. Nanocząstki srebra dodawane są do antyperspirantów, bo zabijają bakterie i… nieprzyjemny zapach. Mikroskopijne cząstki miedzi i jej tlenków likwidują chorobotwórcze pleśnie. Nanocząstki stosowane są w farbach i lakierach. Maleńkie drobiny siarczku kadmu czy tellurku ołowiu przydają się do produkcji diod czy detektorów podczerwieni. Powierzchnię fulerenów, maleńkich węglowych „kulek”, modyfikuje się, dodając reszty cukrów, aminokwasów lub leków – powstają wtedy doskonale rozpuszczalne w wodzie przenośniki, które można zastosować w medycynie lub ochronie roślin. Ochronę skóry przed szkodliwym promieniowaniem UV zapewnią za to zawieszone w kremie nanocząstki tlenków cynku lub tytanu.

Im coś jest bardziej rozdrobnione, tym powierzchnia styku tego materiału z otoczeniem się zwiększa. To dlatego łatwej jest rozpuścić w wodzie cukier puder niż landrynkę. Z tego samego powodu nanocząstki świetnie sprawdzają się w roli katalizatorów reakcji chemicznych. Wystarczy szczypta, by równocześnie zadziałać na wielką liczbę cząsteczek reagentów. Taką funkcję pełnią choćby nanodrobiny tlenku cyny, używane do inicjowanego światłem rozkładu zanieczyszczeń organicznych i oczyszczania wody. Nanocząstki otwierają nam również drogę do zrozumienia zjawisk kwantowych mikroświata. W tej skali pochłanianie i odbijanie światła zależy od kształtu (formy sferyczne, pręty lub trójkątne płytki) i rozmiaru nanocząstek srebra – zawiesina tego materiału zyskuje barwę żółtą (10 nm), czerwoną, a nawet niebieską (60 nm). Tęczowe barwy mają także nanocząstki złota, a tlenek neodymu umożliwia takie zabarwienie szkła, by w sztucznym świetle wydawało się różowe, a w słonecznym – fioletowe lub niebieskie na skutek fluorescencji nanodrobin.

***

UWAGA!
Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.

01.06.2020 Numer 6/2020

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną