Instytucja nadzorująca:
Narodowe Centrum Nauki
Kierownik projektu:
dr Anna Baranowska-Korczyc
Budżet: 501 440,00 PLN
Rozpoczęcie projektu: 2014-07-17
Czas trwania projektu: 24 miesiące
Celem projektu była synteza ceramicznych nanowłókien i nanorurek węglowych, ich szczegółowa charakterystyka fizyko-chemiczna oraz zbadanie właściwości optycznych i elektrycznych w kontekście ich przyszłego zastosowania do konstrukcji sensorów i biosensorów. Do badań zostały wybrane struktury quazi-jednowymiarowe, gdyż ich geometria, rozmiar oraz stosunek powierzchni do objętości czynią je obiecującymi materiałami do budowy sensorów.
W ramach projektu otrzymano polikrystaliczne nanowłókna ZnO w procesie elektroprzędzenia i wygrzewania w powietrzu oraz wielościenne nanorurki węglowe w procesie chemicznego osadzania z fazy gazowej z migrującym katalizatorem (FCCVD). Nanowłókna zbudowane były z nanometrycznej wielkości kryształów, co zwiększało znacząco stosunek powierzchni do objętości, a jednocześnie obszar czynny detektorów. Ze względu na niską stabilność ZnO w roztworach opracowano jednoetapową metodę pasywacji jego powierzchni siarczkiem cynku w fazie gazowej w obecności siarkowodoru. Tym sposobem otrzymano struktury rdzeń/otoczka ZnO/ZnS, które były stabilne przez wiele dni w wodzie i buforach o różnym pH. Nanorurki węglowe wykazywały wysoką odporność chemiczną i mechaniczną, wymagały jednak oksydacji zewnętrznych ścian w celu uzyskania na ich powierzchni grup karboksylowych niezbędnych do dalszej biofunkcjonalizacji. Nanorurki utleniano w silnych kawasach z zastosowaniem sonikacji, refluksu oraz kombinacji obydwu technik. Następnie opracowano metody kowalencyjnej funkcjonalizacji nanorurek węglowych politlenkiem etylenu (PEG) o różnej masie cząsteczkowej, nanowłókien ZnO silanami oraz nanowłókien ZnO/ZnS związkami tiofenowymi.
Scharakteryzowano właściwości optyczne nanowłókien ZnO, ZnO/ZnS oraz jednościennych nanorurek węglowych, jak również zmiany sygnałów optycznych nanostruktur pod wpływem czynników środowiskowych. Utworzono multimodalną hybrydę na bazie PEGowanych nanorurek węglowych poprzez wyznakowanie ich barwnikami organicznymi – sygnał optyczny, natomiast pozostałe po syntezie we wnętrzu nanorurek cząsteczki Fe jako środka kontrastującego MRI. Hybryda Fe/MWCNT-PEG-barwnik organiczny została wprowadzona do komórek HeLa, w celu zbadania ich potencjału do detekcji komórek nowotworowych. Badano właściwości elektryczne nanorurek węglowych w kompozytach polimerowych stabilnych w płynach, tworzących warstwy pod przyszłe sensory – tranzystory z rozszerzoną bramką (EGFET). Scharakteryzowano również właściwości elektryczne nanowłókien ZnO oraz ZnO/ZnS przed i po funkcjonalizacji oraz zbadano mechanizm zmian ich przewodnictwa związany z cząsteczkami tlenu tworzącymi przy powierzchni struktur kompleksy ze swobodnymi nośnikami, elektronami w n typu strukturze. Selektywność sensorów na bazie nanostruktur ZnO polega na zdolności danego bodźca środowiskowego do usunięcia cząsteczek tlenu z powierzchni i uwolnienia dużej ilości swobodnych elektronów, a tym samym wzrostu przewodnictwa nawet o trzy rzędy wielkości. Nanowłókna ZnO były czułe na płyny i gazy, np. wodę, etanol czy azot oraz promieniowanie UV. Otrzymano dwa biosensory: DNA oraz białek z wykorzystaniem nanowłókien ceramicznych o zdolnościach wykrywania na poziomie pikomolowym, działających na zasadzie MOSFET w układzie „depletion mode”, gdzie bramkę stanowił analit – cząsteczki biologiczne.
Rezultaty uzyskane w projekcie poszerzyły wiedzę na temat mechanizmów czułości nanostruktur na bodźce środowiskowe, takie jak gazy, promieniowanie UV, różnego typu substancje chemiczne i cząsteczki biologiczne. Poznany został również wpływu modyfikacji powierzchni nanomateriałów na ich właściwości. Pozwoli to na przyszłe projektowanie urządzeń elektrycznych i optoelektrycznych oraz świadome wykorzystanie ich jako sensory i biosensory.
Rozpoczęcie projektu: 2014-07-17
Czas trwania projektu: 24 miesiące
Celem projektu była synteza ceramicznych nanowłókien i nanorurek węglowych, ich szczegółowa charakterystyka fizyko-chemiczna oraz zbadanie właściwości optycznych i elektrycznych w kontekście ich przyszłego zastosowania do konstrukcji sensorów i biosensorów. Do badań zostały wybrane struktury quazi-jednowymiarowe, gdyż ich geometria, rozmiar oraz stosunek powierzchni do objętości czynią je obiecującymi materiałami do budowy sensorów.
W ramach projektu otrzymano polikrystaliczne nanowłókna ZnO w procesie elektroprzędzenia i wygrzewania w powietrzu oraz wielościenne nanorurki węglowe w procesie chemicznego osadzania z fazy gazowej z migrującym katalizatorem (FCCVD). Nanowłókna zbudowane były z nanometrycznej wielkości kryształów, co zwiększało znacząco stosunek powierzchni do objętości, a jednocześnie obszar czynny detektorów. Ze względu na niską stabilność ZnO w roztworach opracowano jednoetapową metodę pasywacji jego powierzchni siarczkiem cynku w fazie gazowej w obecności siarkowodoru. Tym sposobem otrzymano struktury rdzeń/otoczka ZnO/ZnS, które były stabilne przez wiele dni w wodzie i buforach o różnym pH. Nanorurki węglowe wykazywały wysoką odporność chemiczną i mechaniczną, wymagały jednak oksydacji zewnętrznych ścian w celu uzyskania na ich powierzchni grup karboksylowych niezbędnych do dalszej biofunkcjonalizacji. Nanorurki utleniano w silnych kawasach z zastosowaniem sonikacji, refluksu oraz kombinacji obydwu technik. Następnie opracowano metody kowalencyjnej funkcjonalizacji nanorurek węglowych politlenkiem etylenu (PEG) o różnej masie cząsteczkowej, nanowłókien ZnO silanami oraz nanowłókien ZnO/ZnS związkami tiofenowymi.
Scharakteryzowano właściwości optyczne nanowłókien ZnO, ZnO/ZnS oraz jednościennych nanorurek węglowych, jak również zmiany sygnałów optycznych nanostruktur pod wpływem czynników środowiskowych. Utworzono multimodalną hybrydę na bazie PEGowanych nanorurek węglowych poprzez wyznakowanie ich barwnikami organicznymi – sygnał optyczny, natomiast pozostałe po syntezie we wnętrzu nanorurek cząsteczki Fe jako środka kontrastującego MRI. Hybryda Fe/MWCNT-PEG-barwnik organiczny została wprowadzona do komórek HeLa, w celu zbadania ich potencjału do detekcji komórek nowotworowych. Badano właściwości elektryczne nanorurek węglowych w kompozytach polimerowych stabilnych w płynach, tworzących warstwy pod przyszłe sensory – tranzystory z rozszerzoną bramką (EGFET). Scharakteryzowano również właściwości elektryczne nanowłókien ZnO oraz ZnO/ZnS przed i po funkcjonalizacji oraz zbadano mechanizm zmian ich przewodnictwa związany z cząsteczkami tlenu tworzącymi przy powierzchni struktur kompleksy ze swobodnymi nośnikami, elektronami w n typu strukturze. Selektywność sensorów na bazie nanostruktur ZnO polega na zdolności danego bodźca środowiskowego do usunięcia cząsteczek tlenu z powierzchni i uwolnienia dużej ilości swobodnych elektronów, a tym samym wzrostu przewodnictwa nawet o trzy rzędy wielkości. Nanowłókna ZnO były czułe na płyny i gazy, np. wodę, etanol czy azot oraz promieniowanie UV. Otrzymano dwa biosensory: DNA oraz białek z wykorzystaniem nanowłókien ceramicznych o zdolnościach wykrywania na poziomie pikomolowym, działających na zasadzie MOSFET w układzie „depletion mode”, gdzie bramkę stanowił analit – cząsteczki biologiczne.
Rezultaty uzyskane w projekcie poszerzyły wiedzę na temat mechanizmów czułości nanostruktur na bodźce środowiskowe, takie jak gazy, promieniowanie UV, różnego typu substancje chemiczne i cząsteczki biologiczne. Poznany został również wpływu modyfikacji powierzchni nanomateriałów na ich właściwości. Pozwoli to na przyszłe projektowanie urządzeń elektrycznych i optoelektrycznych oraz świadome wykorzystanie ich jako sensory i biosensory.
