Nanoobiekty węglowe ułatwią budowę futurystycznych źródeł prądu
Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie pracują nad elektrodami o powierzchniach pokrytych warstwami nanocząstek węgla i enzymami.
Elektrody te będzie można wykorzystać do produkcji nowoczesnych czujników i źródeł prądu, w tym tak futurystycznych jak bioogniwa paliwowe, instalowane wewnątrz ludzkiego ciała i zasilane substancjami zawartymi we krwi.
Jednym z najpopularniejszych sposobów nanoszenia nanocząstek na powierzchnie jest znana od 1997 roku metoda „warstwa po warstwie” (Layer-by-Layer, LbL). Polega ona na nakładaniu na podłoże kolejnych warstw naładowanych elektrycznie cząsteczek lub cząstek o przeciwnym znaku. Metodę tę stosuje się m.in. do wytwarzania na powierzchni elektrod trójwymiarowych struktur zbudowanych z samych polimerów lub z naprzemiennych warstw polimerów i nanocząstek. „Od dawna wiadomo, że wiele reakcji elektrodowych przebiega szybciej, wydajniej i selektywniej na powierzchniach pokrytych nanocząstkami, na przykład złota lub węgla. Postanowiliśmy więc skonstruować struktury składające się z samych warstw nanocząstek i zbadać, jak wpływają one na własności elektrod po ich dalszej modyfikacji enzymami” – mówi prof. dr hab. Marcin Opałło z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN).
Elektrody pokryte cienkimi warstwami nanocząstek węgla mogłyby znaleźć zastosowanie m.in. w bioogniwach paliwowych, służących jako źródła zasilania dla przyrządów medycznych umieszczanych w ludzkim ciele. Obecnie wymiana zasilania w takich urządzeniach jak rozruszniki serca wymaga metod inwazyjnych. Na świecie od kilku lat trwają prace nad zbudowaniem ogniwa, dla którego paliwem byłaby substancja rozpuszczona we krwi, na przykład glukoza, zaś utleniaczem – także znajdujący się we krwi tlen. Zadanie jest trudne, ponieważ wymaga znalezienia podłoża pozwalającego na trwałe osadzenie enzymu i to w taki sposób, aby wymieniał elektron bezpośrednio z elektrodą. Efekt ten udało się uzyskać w Instytucie Chemii Fizycznej PAN dzięki naniesieniu na elektrodę nanocząstek węgla. „Wynik jest zaskakujący, bo zazwyczaj enzym do przenoszenia elektronu potrzebuje dodatkowych rozpuszczonych w roztworze cząsteczek – przenośników elektronu. Tych cząsteczek w naszych eksperymentach po prostu nie ma” – mówi Katarzyna Szot, doktorantka z IChF PAN. Co szczególnie istotne, badane elektrody pracują w roztworach o składzie zbliżonym do osocza krwi.
Nanocząstki węgla używane w eksperymentach prowadzonych w IChF PAN mają rozmiary poniżej 10 nanometrów. W kontekście przyszłych zastosowań ważny jest fakt, że są one tanie i łatwo dostępne. „Początkowo nanocząstki chcieliśmy po prostu kupić, ale okazało się, że tak małymi ilościami jak nam potrzebne po prostu się nie handluje. Mercedes na przykład stosuje te nanocząstki na masową skalę do malowania karoserii. Ostatecznie otrzymaliśmy bezpłatnie kilogram materiału od firmy Cabot Corporation” – śmieje się prof. Opałło. Sam proces pokrywania podłoża – w doświadczeniach są nim szklane płytki powleczone warstwą przewodzącą prąd – jest prosty i szybki. Płytkę zanurza się na minutę w zawiesinie nanocząstek węgla, następnie wyjmuje, opłukuje, przenosi do drugiej zawiesiny w celu osadzenia kolejnej warstwy, po czym wszystkie czynności powtarza się kilka razy. Grubość gotowych warstw węglowych sięga nieco ponad 100 nanometrów.
Niewielkie rozmiary samych nanocząstek węglowych powodują, że przestrzenie między nimi są małe, co utrudnia dostęp do aktywnych powierzchni położonych głębiej w warstwie. W efekcie elektrody nie są jeszcze tak wydajne jak mogłyby być. W przyszłości prawdopodobnie uda się poprawić ich właściwości dzięki zmodyfikowaniu procesu nanoszenia warstw. W Instytucie Chemii Fizycznej PAN właśnie rozpoczynają się doświadczenia nad nakładaniem warstw nanocząstek węglowych w obecności kuleczek polistyrenowych o średnicach kilkuset nanometrów. Po wytworzeniu każdej warstwy naukowcy zamierzają powlekać ją polimerem w celu mechanicznego wzmocnienia konstrukcji, a następnie wypłukiwać kuleczki. Otrzymana tą metodą wielowarstwowa struktura miałaby znacznie większe pory, ułatwiające dostęp tlenu, co skutkowałoby wzrostem wydajności reakcji.
Innym obszarem zastosowań elektrod z warstwami nanocząstek węgla prawdopodobnie staną się czujniki elektrochemiczne, np. do oznaczania poziomu dopaminy wobec kwasu askorbinowego i kwasu moczowego. W chemii analitycznej problem ten uchodzi za poważny, ponieważ dwie ostatnie substancje utrudniają analizę próbek ze względu na nakładanie się ich sygnałów elektrochemicznych. Pokrycie elektrod nanocząstkami pozwala na rozdzielenie sygnałów i zwiększenie czułości.
Oprócz warstw nanocząstek węglowych, naukowcy z zespołu prof. Opałło w podobny sposób tworzą na powierzchniach elektrod trójwymiarowe struktury z nanocząstek metali i tlenków metali, nanorurek węglowych i nanocząstek z modyfikowanego szkła.
Zaloguj się Logowanie