Świat nanocząstek - ebook

Wprowadzenie Krzysztof J. Kurzydłowski, Małgorzata Lewandowska

Słowo „cząstka” ma logiczne powiązanie z rzeczownikiem „część”, stosowanym do opisu czegoś, co jest fragmentem większej całości. W technice na ogół stosuje się je w odniesieniu do małych drobin, zwykle ciał stałych. W takim kontekście jest również rozumiane w niniejszej książce, przy czym przedmiotem rozważań są w naszym przypadku cząstki o wymiarach nanometrowych, w praktyce mniejszych od 0,1 mikrometra. W tym miejscu warto zwrócić uwagę na błędne stosowanie terminu „nanocząsteczka” zamiast „nanocząstka”. Różnica pomiędzy tymi terminami jest bardzo istotna. Tymczasem w prasie codziennej, audycjach radiowych, programach telewizyjnych, a nawet w artykułach naukowych, patentach czy wystąpieniach na konferencjach naukowych, mylone są one ze sobą lub stosowane wymiennie.

Nanocząstki (ang. nanoparticles) to po prostu cząstki materii o wielkości nanometrowej, tj. z zakresu 1–100 nm. Nie są jednoznacznie zdefiniowane, ponieważ nanocząstki dowolnej substancji mogą mieć różny kształt, wielkość, nie muszą być jednoskładnikowe (np. nanocząstki kompozytów o różnym składzie). Nanocząsteczki to natomiast nic innego, jak cząsteczki, inaczej molekuły (ang. molecules). W przeciwieństwie do nanocząstki cząsteczka związku jest jednoznacznie zdefiniowana – wiadomo, jaki jest jej skład, wzór chemiczny i wielkość (przeważnie w skali nano lub subnano). Cząsteczkę definiuje się jako trwały układ co najmniej dwóch atomów (tego samego pierwiastka lub atomów różnych pierwiastków), połączonych wiązaniem chemicznym dowolnego typu. Można więc w uproszczeniu powiedzieć, że nanocząstka może się składać z wielu cząsteczek. Wiadomo na przykład, że cząsteczka ditlenku węgla składa się z 2 atomów tlenu i jednego atomu węgla, ma budowę liniową, a jej wymiar wynosi 0,232 nm (podczas gdy tzw. średnica efektywna cząsteczki gazu CO₂ w warunkach normalnych wynosi 0,33 nm). Ze względu na swoje skuteczne właściwości antybakteryjne ostatnio powszechnie stosowane jest nanosrebro, w związku z czym często na etykietach różnych produktów można znaleźć informację, że dany produkt zawiera „nanocząsteczki srebra”, podczas gdy srebro (podobnie jak inne metale) nie tworzy cząsteczek. Średnica atomu srebra to 0,32 nm, a nanocząstki srebra w jego roztworach koloidalnych są wielkości w zakresie przeważnie od 1 do 100 nm.

Przy tych rozważaniach warto zwrócić uwagę, jak niewielki jest to rozmiar. Gdyby obserwator na księżycu spoglądał na ziemię, stojący na ziemi człowiek miałby podobny rozmiar, co obiekt wysokości 5 nanometrów obserwowany przez człowieka z wysokości 1 metra. Dokładne badanie nanocząstek wymaga zatem zaawansowanych technik, dostępnych dopiero od kilkunastu lat. A bez dokładnego ich zbadania trudno o świadome wykorzystywanie ich wielu cennych i nowych cech. Z tego powodu światowy rynek nanocząstek będzie się dynamicznie rozwijał, w miarę doskonalenia technik ich wytwarzania i charakteryzowania, choć już obecnie jest dobrze rozwinięty.

Nanocząstki są bardzo różnorodne pod względem chemicznym. Najczęściej są to tlenki metali, metale, związki krzemu, różne odmiany węgla, materiały ceramiczne inne niż tlenki metali (np. węgliki metali), półprzewodniki, cząstki organiczne lub biologiczne. Zwyczajowo, ponieważ są one bryłami, do uznania ich za obiekty nanometrowe wystarczy, gdy jeden z charakterystycznych ich wymiarów (długość, szerokość lub grubość) spełnia kryterium <100 nm.

Warto jednak zwrócić uwagę Czytelnika na formalne znaczenie terminu „nanocząstka” według normy ISO/TS 80004-2:2015 „Nanotechnologies – Vocabulary – Part 2: Nano-objects”. Cząstki materii o wielkości nanometrowej, tj. z zakresu 1–100 nm, nazwane są nanoobiektami (ang. nanoobjects). Pod względem budowy nanoobiekty podzielone są na trzy grupy morfologiczne: nanocząstki, nanowłókna i nanopłytki. W przypadku nanocząstek przyjęto, że stosunek pomiędzy minimalnym i maksymalnym wymiarem nanoobiektu nie przekracza wartości 3. Jednak zwyczajowo i w literaturze przedmiotu określenie nanocząstka stosowane jest wymiennie z wyrażeniem nanoobiekt. W niniejszej książce przyjęto również taką konwencję. Nanocząstki mogą mieć więc różny kształt – płatków, kulek, walców, płytek czy form dendrytycznych. Nanocząstki mogą mieć strukturę amorficzną (nieuporządkowaną) lub krystaliczną (uporządkowaną).

Technologia wytwarzania nanocząstek to jeden z najważniejszych działów nanotechnologii. Formalnie definiuje się nanotechnolgię jako technologię wytwarzania obiektów materialnych o charakterystycznych rozmiarach w zakresie od 1 do 100 nm oraz praktyczne wykorzystywanie nowych właściwości materiałów, które pojawiają się przy tak małych rozmiarach tych obiektów. Obiektami tymi mogą być warstwy, materiały zbudowane z kryształów o tak małych rozmiarach, włókna, nanocząstki właśnie i inne. W rozdziale 1 objaśniono dokładniej termin „nanotechnologia” i jego rozumienie przez różne środowiska: naukowców, przemysł, organizacje zajmujące się regulacją rynków, a także społeczeństwa.

Nanocząstki byłyby jedynie ciekawostką naukową, mającą mały wpływ na rozwój techniki, gdyby nie było możliwości ich przemysłowego wytwarzania. Nanocząstki występują w handlu w postaci proszku lub zawiesiny i właśnie odpowiedź na pytanie, w jakiej postaci mają być dostarczone nanocząstki, jest kluczowa zarówno dla ich odbiorcy, jak i producenta, ponieważ od tego między innymi zależy wybór odpowiedniej technologii otrzymywania nanocząstek. Zagadnieniom tym poświęcony jest rozdział 2. Zawarto w nim opis zarówno procesów rozdrabniania (ang. top down) jak i metod addytywnych (ang. bottom up), w których cząstki są „składane” atom po atomie. Proces takiego składania można prowadzić zarówno w środowiskach gazowych, jak i ciekłych. Szczególną uwagę poświęcono nanocząstkom węglowym, tj. fulerenom, nanorurkom węglowym i grafenowi, którym poświęcony jest rozdział 3.

Mnogość technik wytwarzania nanocząstek w dużym stopniu powiązana jest z mnogością ich aplikacji, których liczba stale rośnie. Wiele z nich zostało omówionych w rozdziałach 4–7. W rozdziałach tych omówiono zastosowanie nanocząstek w optoelektronice, katalizie oraz w wytwarzaniu materiałów konstrukcyjnych i funkcjonalnych. Uwzględniono także wykorzystanie nanocząstek w naukach o życiu i medycynie.

Istota nanotechnologii to wykorzystanie nowych cech materiału, które się uwidaczniają, gdy rozmiar cząstki jest mniejszy od 100 nm. Skoro właściwości nanocząstek zależą silnie od ich rozmiaru i kształtu, dokładny pomiar tych parametrów jest warunkiem koniecznym do otrzymywania powtarzalnych materiałów o stałych właściwościach. Zagadnienia nanometrologii są więc jednymi z najważniejszych z punktu widzenia praktycznych zastosowań nanocząstek. W rozdziale 8 opisano metody i procedury analizy morfologicznej nanocząstek.

Nanocząstki są tak małe, że do ich zobrazowania potrzebne są specjalne mikroskopy o dużym powiększeniu, rzędu 10 000 razy. Dopiero bowiem jeśli pomnożymy 0,1 mikrometra przez 10 000, otrzymamy 1 milimetr. Cząstka o wymiarze maksymalnym dla nanocząstek, czyli 100 nm = 0,1 mikrometra, w przypadku powiększenia 10 000 razy jest więc zobrazowana jako obiekt o wymiarze 1 milimetra, co daje potencjalnie możliwość rozpoznania jej cech geometrycznych, w tym kształtu. Oczywiście mniejsze nanocząstki mogą być przy takim powiększeniu niewidoczne, co oznacza, że w praktyce potrzebne są nam większe powiększenia, zwykle przekraczające 100 000. Gdy tę i nawet poprzednią wartość, 10 000, zestawimy z powiększeniami uzyskiwanymi względnie prostymi mikroskopami opartymi na świetle widzialnym, które dają powiększenia rzędu 1000 razy, staje się jasne, że zobrazowanie nanocząstek wymaga zaawansowanych mikroskopów, w których wykorzystuje się optykę elektronową. Więcej na temat metod obrazowania nanocząstek Czytelnik znajdzie w rozdziałach 9 i 10, w których omówiono techniki mikroskopii sił atomowych oraz mikroskopii elektronowej.

Nanocząstki mogą istotnie różnić się wielkością i kształtem. Ponieważ jedna i druga z wymienionych cech ma istotny wpływ na właściwości nanocząstek, zagadnieniem samym w sobie jest ilościowy opis ich geometrii. Tematowi temu poświęcony jest rozdział 11, w którym w szczególności omówiono metody komputerowej analizy obrazów. Temat ten jest do pewnego stopnia kontynuowany w rozdziale 12, w którym przedyskutowano kwestie statystycznego podejścia do nanocząstek, tworzących populacje różniące się nie tylko średnią wielkością, ale także stopniem rozproszenia wielkości.

Zazwyczaj nanocząstki łączą się w aglomeraty o rozmiarach nawet mikrometrowych i przechowywane są w zawiesinach w cieczy. Metody charakteryzowania zawiesin nanocząstek opisane są w rozdziałach 12 i 13. Skuteczną techniką otrzymywania informacji o wielkości nanocząstek oraz rozkładzie ich wielkości są metody wykorzystujące rozpraszanie promieni rentgenowskich na nanocząstkach, czyli dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego. Okazuje się, że badania z zastosowaniem promieniowania rentgenowskiego również dają precyzyjne informacje o rozmiarach nanocząstek. Tym zagadnieniom poświęcone są rozdziały 14 i 15.

Dla naukowca, inżyniera oraz każdej osoby intersującej się nanotechnologią najciekawsze są jednak fizyczne, chemiczne i biologiczne cechy nanocząstek. Zainteresowanie nanocząstkami wynika bowiem z ich szczególnych właściwości, istotnie różnych od właściwości cząstek tego samego materiału, lecz o większych rozmiarach. Podstawowe informacje na temat szczególnych właściwości nanocząstek zawarto w rozdziale 16. W dużym uproszczeniu szczególne ich właściwości są konsekwencją względnie dużego udziału w ich objętości atomów znajdujących się na powierzchni cząstki lub tuż pod nią. W przypadku cząstek o wymiarach 5–10 nm około ¼ atomów ma charakter „atomów powierzchniowych”, a skądinąd wiadomo, że atomy te mają specyficzną charakterystykę, inną niż atomy z dala od powierzchni. Różnice te dotyczą w szczególności stanów elektronowych i są konsekwencją „niewysycenia” wiązań.

Szczególne perspektywy wykorzystania nanocząstek związane są nie tylko z aktywnością ich atomów powierzchniowych, ale także ich wymiarami geometrycznymi jako takimi. Wynika to stąd, że nanocząstki mają wymiary dużo mniejsze niż wymiary komórek. Mogą zatem do nich wnikać, a także przez nie przenikać, co otwiera nowe możliwości w zakresie dozowania leków oraz projektowania nowych terapii z udziałem nanocząstek. Z tych samych powodów nanocząstki mogą być zagrożeniem dla środowiska i zdrowia ludzi. Toksyczności nanocząstek i sposobom jej wyznaczania poświęcony jest rozdział 17.

Praktyczne stosowanie nanocząstek wymaga utworzenia międzynarodowych norm dotyczących definicji nanocząstek oraz metod ich charakteryzowania. Tego samego wymaga bezpieczeństwo pracy z nanocząstkami (rozdział 18). Zagadnienie bezpieczeństwa pracy stało się szczególnie istotne z dwóch powodów. Skoro właściwości nanocząstek zależą od ich rozmiaru, to i ewentualna toksyczność też może zależeć od rozmiaru. Wtedy normy opracowane dla zwykłych materiałów nie mają zastosowania w przypadku nanomateriałów i muszą być podjęte intensywne badania w celu określenia dopuszczalnych norm ekspozycji na nie. Jest to warunek ich masowego stosowania w produktach rynkowych oraz bezpiecznej produkcji i recyklingu. Te bardzo aktualne tematy związane z uregulowaniami prawnymi dla nanocząstek dopuszczanych na rynek oraz samo oszacowanie rynku zawierają rozdziały 19–21.