Realizowany projekt Nanorurkowe materiały na bazie minerałów z podgrupy kaolinitu do fotodegradacji wybranych mykotoksyn w środowisku wodnym uzyskał w zeszłym roku finansowanie w konkursie OPUS 22 ogłoszonym przez Narodowe Centrum Nauki. Łączy on w sobie zagadnienia z pogranicza chemii i mineralogii, co jest typowe dla prac z zakresu nauk stosowanych związanych z minerałami ilastymi.
– W projekcie, którym zajmujemy się dopiero od pół roku, chcemy niszczyć toksyny z wykorzystaniem promieniowania przy udziale fotokatalizatorów – mówi prof. Jakub Matusik.
Jak podkreśla, najważniejszym elementem fotokatalizy są półprzewodniki, czyli aktywne materiały, które pod wpływem promieniowania (najczęściej ultrafioletowego), generują różnego typu rodniki, które mogą atakować toksyczne związki i je niszczyć. Przykład może stanowić dwutlenek tytanu, który producenci dodają do farb mających usuwać różne substancje organiczne z powietrza. Same półprzewodniki to jednak za mało w starciu z mykotoksynami – dlatego naukowcy chcą zmodyfikować naturalne minerały w taki sposób, by wspomagały działanie półprzewodników.
Niszczycielskie kapsuły
Głównym minerałem wykorzystywanym w trakcie badań jest kaolinit. To pospolity i obecny w wielu rejonach minerał ilasty, który ze względu na swoją barwę i właściwości jest powszechnie wykorzystywany w procesie produkcji ceramiki szlachetnej i papieru oraz stanowi wypełniacz nadający pożądaną konsystencję kosmetykom.
Kaolinit widziany ludzkim okiem ma postać proszku albo mączki. W obrazie mikroskopowym naturalnie występuje w formie płytkowych ziaren. W trakcie prac nad swoim doktoratem prof. Matusikowi udało się jednak opracować metodę, która pozwala na zmianę morfologii płytek kaolinitowych – w trakcie kolejnych reakcji chemicznych zwijają się one w kształt rurek, tzw. nanorurek (ich długość oscyluje w granicach kilkuset nanometrów, czyli stutysięcznych części centymetra). Dzięki takiej przemianie stają się cząstkami, które można wykorzystać jako nośniki. Szczególnie duże nadzieje wiąże z tym medycyna, bo nanorurki potencjalnie umożliwiają transport leków i aplikację substancji do określonego miejsca w organizmie.
– Ta nanorurka działa jako kapsuła, która może transportować lek w określone miejsce w organizmie i tam go uwolnić. Mechanizmy uwalniania są różne i zależą np. od pH i od tego, jak ten materiał został przygotowany, bo zamyka się je na różne sposoby, stosuje się przykładowo różne polielektrolity, które mają chronić lek wewnątrz nanorurki. W takim samym celu stosuje się też różne minerały warstwowe – lek wprowadza się pomiędzy warstwy, które mają chronić cząsteczkę, żeby zadziałała tylko tam, gdzie powinna. Zwłaszcza, jeśli jest to lek przeciwnowotworowy, dzięki czemu nie zatruwa on całego organizmu, tylko działa w konkretnym miejscu. Nanorurkowe formy spełniają tę samą funkcję. Znane są badania związane z prostymi cząsteczkami, jak ibuprofen, ale też z insuliną, czy z DNA, które też są zamykane w strukturach minerałów nanorurkowych czy warstwowych, by transportować informację genetyczną w organizmie – mówi o innych, niezwiązanych bezpośrednio z projektem, zastosowaniach nanorurek prof. Matusik.
W kontekście tego projektu istotne jest to, że nanorurki mogą być również wykorzystane do wprowadzenia do nich półprzewodników. Naukowcy spodziewają się, że taki nośnik mineralny pozwoli na spotęgowanie efektu działania cząstek półprzewodników – zamknięte wewnątrz nanorurkowej struktury będą miały większą powierzchnię oddziaływania z toksynami i można założyć, że wzrośnie efektywność degradacji.
– Półprzewodniki znajdują się wewnątrz rurek. Mamy dzięki temu ograniczoną przestrzeń i kiedy toksyny dostaną się do wnętrza, to po prostu są tam niszczone pod wpływem zewnętrznego promieniowania –wyjaśnia naukowiec – Technicznie testujemy nasze materiały w warunkach statycznych tzn. do roztworu wodnego toksyny wprowadzamy niewielką naważkę naszego materiału w postaci sypkiej. Reakcja jest prowadzona w zamkniętym reaktorze z udziałem promieniowania UV. Prowadzimy tak zwane badania kinetyczne, czyli mierzymy jak szybko spada stężenie toksyny w czasie. W przyszłości istotne będzie dla nas określenie mechanizmu degradacji toksyn.
Sam proces się liczy
Wyniki uzyskane dla syntetycznego kaolinitu nanorurkowego zostaną porównane ze skutecznością rozkładu wybranych mykotoksyn przez inne materiały kaolinitowe oraz różne półprzewodniki. W każdej ich kombinacji niezmienny będzie udział promieniowania ultrafioletowego. Poza czystym kaolinitem płytkowym (wykorzystywanym w przemyśle papierniczym i ceramice) zbadany zostanie między innymi haloizyt, czyli minerał z podgrupy kaolinitu, który występuje naturalnie w postaci rurek. Naukowcy wykorzystają zarówno nanorurki ze złóż zanieczyszczonych pierwiastkami, jak żelazo i tytan, jak i czyste odmiany, dostępne w sprzedaży. Prof. Matusik spodziewa się, że najlepsze wyniki pozwoli uzyskać syntetycznie otrzymany kaolinit nanorurkowy, bo proces jego przekształcania umożliwia wygenerowanie tzw. dużej powierzchni reaktywnej, na której półprzewodniki oddziałują z toksynami, podczas gdy naturalne nanorurki ze złóż nie zawsze są dobrze wykształcone, co może ograniczać ich funkcjonalność.
W trakcie analizy istotna będzie przede wszystkim zdolność rozkładania mykotoksyn, ale nie tylko – badacze rozpoczęli od szczegółowej charakterystyki materiałów i wykorzystują różne metody, by pozyskać o nich jak najwięcej informacji: o ich rozmiarach, budowie, strukturze, teksturze i składzie chemicznym oraz ich właściwościach. Chcą także sprawdzić ich stabilność, czyli określić jak zachowują się materiały w procesie degradacji, czy takie materiały będzie można ponownie wykorzystać, czy da się je regenerować.
Czasem w takich reakcjach można uzyskać niespodziewane wyniki. Prof. Matusik podaje przykład francuskich naukowców, którzy prowadzili badania z innym nanorurkowym minerałem – imogolitem.
– Używali go do rozkładu związków WWA, czyli wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, które też są szkodliwymi związkami. Naukowcy zaobserwowali, że rozkład tych cząsteczek zachodzi wewnątrz rurek. Te cząsteczki rozkładają się, ulegają degradacji, ale jednocześnie na zewnętrznych powierzchniach rurek powstają cenne produkty, takie jak np. wodór. Takie obserwacje wpisują się w ciekawą ideę czy technologię znaną jako fotoreforming. Wykorzystuje się surowce odpadowe, biomasę lub niszczy związki szkodliwe, ale jednocześnie dąży się do uzyskana z nich cennych paliw – prostych związków typu alkoholi (takich jak metanol i etanol) czy wodoru. To była jedna z inspiracji do tego, żeby wykorzystać materiał, który ja znam dobrze z doktoratu, czyli kaolinit, i zobaczyć jak on rozkłada mykotoksyny, a przy okazji zbadać różne procesy, które tym kierują. Możliwe, że jednocześnie zaobserwujemy coś interesującego, jakieś inne właściwości tego materiału i to naprowadzi nas na nowe pomysły.
Jak podbijamy nanoświat – AGH NAUKA spotkania (nr 25) 
Jak samodzielnie wynieść 1000 worków śmieci z lasów? | Bunkier Nauki odc. 48 
Obalamy MITY na temat sieci 5G – czy jest się czego bać? | Bunkier Nauki odc. 47 
Świat w dobie AI – AGH NAUKA spotkania (nr 24) 
Projekty dotyczące zaawansowanych materiałów dla energetyki finansowane przez sieć M-ERA.NET 3 
Spotkanie przedwyborcze z kandydatem na rektora AGH 
Brąz dla pływaków na AMP 
Góry też mogą być smart. Uczony z AGH rozwija inteligentny system wspomagania ratownictwa górskiego