Laboratorija SANDIA
Priredila: �aneta Arnautovi�
Istra�iva�i kreiraju nove materijale
Po uzoru na morske �koljke
 Sandia istra�iva�i rade na razvoju slo�enih nanomaterijala koji su zapanjuju�e sli�ni mikrostrukturama diatoma i morskih �koljki. Ovi materijali nose u sebi potencijal za najrazli�itije primene.
Jun Liu, menad�er Odeljenja za hemijsku sintezu i nanomaterijale na Sandiji, ka�e da je cilj da se razviju op�ta nau�na znanja i tehnologija za pouzdanu i redovnu (dovoljno veliku) proizvodnju nanomaterijala na bazi ekolo�ki benignih hemijskih procesa.
Namera istra�iva�kog tima je da stvori uslove za pouzdanu i kontrolisanu proizvodnju materijala sa osobinama koje su od presudnog zna�aja za efikasnost materijala i uredaja. To uklju�uje sastav, veli�inu i oblik �estica, polo�aj, morfoiogiju �estica, povr�inu i hemijske veze.
Liu ka�e da su biohemijski procesi koji se koriste za izradu biomaterijala suvi�e slo�eni za sinteti�ke materijale. Istra�iva�ki tim svoje istra�ivanje zasniva na izu�avanju fizi�kih i hemijskih principa koji se nalaze u osnovi stvaranja prirodnih materijala, i radi na razvoju sinteti�kih na�ina za postizanje sli�ne strukturalne kontrole u proizvodnju nanomaterijala.
Veruje se da �e ovakve pro�irene i orijentisane nanostrukture na�i primenu u mikroelektronskim ure�ajima, kod hemijske i biolo�ke dijagnostike, katalize, i konverzije i skladi�tenja energije, uklju�uju�i photovoltaic �elije, baterije, otpornike i sredstva za skladi�tenje vodonika. Ove strukture tako�e imaju primenu kod displeja koji emituju svetlost, lekova i opti�kog skladi�tenja.
"Ve� smo dokazali izvrsne foto-kataliti�ke osobine i nove hemijsko-senzorske ure�aje sa na�im novim materijalima", ka�e Liu.
Tim je dokazao da ima punu kontrolu nad mestom i na�inom formiranja kristala selektinim aktiviranjem konkretne povr�ine koju �ele da koriste za spontanu proizvodnju slo�enih trodimenzionalnih struktura koje se ne mogu proizvoditi na drugi na�in.
"Na� interes nije da dupliciramo mehanizme koji postoje kod prirodnih materijala", ka�e Liu. "Niti �elimo da reprodukujemo biominerale."
Me�utim, dodaje Liu, neophodno je shvatiti karakter prirodne strategije i na osnovu toga nau�iti kako stvarati sli�ne strukture.
Strategije koje priroda koristi da stvara biomaterijale su drasti�no druga�ije od sinteti�kih pristupa. Prirodni materijali se proizvode na niskim temperaturama i ne proizvode zna�ajne koli�ine otpada. Morske �koljke i diatomi lu�e kalcijum i silikatne jone iz vode okeana i proizvode �vrsta tkiva za za�titu �ivih organizama.
Prirodni sistemi koriste sofisticirane proteinske molekule za precizno upravljanje morfologijom i pozicioniranjem biomaterijala da bi na taj na�in optimizirali osobine materijala kao �to je njihova mehani�ka snaga. Kao rezultat toga, stvaraju se vrlo kompleksne strukture, na primer kod diatoma, i to iz vrlo jednostavnih hemikalija kao �to je silikat. Silikat je, ka� e Liu, vrlo rasprostranjen kerami�ki materijal sa kojim se �esto vr�e laboratorijski eksperimenti. Uop�teno govore�i, ka�e Liu, pro teini izvode dva bitna trika. Prvo, pro teini kontroli�u gde se mineral deponuje. Drugo, oni kontroli�u kako se stvaraju minerali. Kod crvenog abalonea, morskog pu�a, vodorastvorljivi proteini kontroli�u proces mineralizacije kalcijum karbonata. Neki od ovih proteina su odgovorni za formiranje kalcita stubnog oblika (prirodni oblik kalcijum karbonata), a drugi za formiranje plo�astih aragonita (neuobi�ajeni oblik kalcijum karbonata). Zajedni�ka aktivnost ovih proteina stvara visoko organizovane nanokompozitne materijale izra�ene od prostorno orijentisanih kalcitnih stubova i gusto postavljenih aragonit skih nano-plo�ica. Ovakva kombinacija daje najbolje mehani�ke osobine tvrdim tkivima.
Prvi korak u ovom procesu je da se shvati i kontroli�e hemija rastvora. Umesto da koristi visoke temperature, visoke koncentracije hemikalija, organske rastvara�e, tim je prou� avao niske temperature - znatno ispod ta�ke klju�anja vode i niske koncentracije hemikalija u eksperimentalnim uslovima u vodenim sredinama. Pod takvim uslovima tim je mogao bolje da prati brzinu rasta ovih materijala iz rastvora i da izbegne talo�enje koje se obi�no javlja.
Po�to uloga proteina koji usmeravaju minerale nije jo� u potpunosti obja�njena, i po�to se ona ne mo�e direktno primeniti na sinteti�ke materijale, koriste se jednostavni organski molekuli da bi se upravljalo rastom kristala. Tako�e se primenjuje kompjutersko modeliranje radi razumevanja na�ina na koji se organski molekuli vezuju za kristale.
"Proizvodnja ovakvih slo � enih nanostruktura je veoma velik izazov", ka�e Liu. "Ovo je veoma va�no novo polje istra� ivanja. Tu jo� mnogo �ta ostaje neshva�eno."
Ipak, ka�e Liu, proizvodnja nano materijala u principu ostaje veliki nau�ni i tehnolo�ki izazov. Skoro svi pristupi koji se sada koriste, podrazumevaju visoke temperature i slo�enu toksi�nu hemiju.
Za nas je sada izazov da do kraja shvatimo kako organski molekuli uti�u narast kristala. Liu ka�e da to nije izazov samo za sinteti�ke materijale, nego i problem za biomineralizaciju koja zahteva napore fizi�ara, hemi�ara, biologa i nau�nika koji izu�avaju materijale. Jo� jedan izazov je da se defini�u op�ta pravila koja �e biti osnova za proizvodnju razli�itih nano materijala.
Liu ka�e da je ovaj istra�iva�ki tim sada u procesu izrade instrumenata za kontrolu isporuke, difuzije i prenosa hemijskih vrsta u reakcionim komorama.
"Koristi � emo sve najsavremenije mogu�nosti koje Sandia ima da do�emo do precizne kontrole svih eksperimentalnih parametara," ka�e Liu. "Studije mikrofluida �e nam mo�da ukazati na neke metode za kontinuiranu prozvodnju �eljenih specifi�nih nanomaterijala, uklju�uju�i nano �estice, nano�ice i slo�ene nanostrukturisane slojeve."
Priredila: �aneta Arnautovi�
|
