Laboratorija SANDIA

Priredila: Žaneta Arnautović

Istraživači kreiraju nove materijale
Po uzoru na morske školjke

Sandia istraživači rade na razvoju složenih nanomaterijala koji su zapanjujuće slični mikrostrukturama diatoma i morskih školjki. Ovi materijali nose u sebi potencijal za najrazličitije primene.

Jun Liu, menadžer Odeljenja za hemijsku sintezu i nanomaterijale na Sandiji, kaže da je cilj da se razviju opšta naučna znanja i tehnologija za pouzdanu i redovnu (dovoljno veliku) proizvodnju nanomaterijala na bazi ekološki benignih hemijskih procesa.

Namera istraživačkog tima je da stvori uslove za pouzdanu i kontrolisanu proizvodnju materijala sa osobinama koje su od presudnog značaja za efikasnost materijala i uredaja. To uključuje sastav, veličinu i oblik čestica, položaj, morfoiogiju čestica, površinu i hemijske veze.

Liu kaže da su biohemijski procesi koji se koriste za izradu biomaterijala suviše složeni za sintetičke materijale. Istraživački tim svoje istraživanje zasniva na izučavanju fizičkih i hemijskih principa koji se nalaze u osnovi stvaranja prirodnih materijala, i radi na razvoju sintetičkih načina za postizanje slične strukturalne kontrole u proizvodnju nanomaterijala.

Veruje se da će ovakve proširene i orijentisane nanostrukture naći primenu u mikroelektronskim uređajima, kod hemijske i biološke dijagnostike, katalize, i konverzije i skladištenja energije, uključujuči photovoltaic ćelije, baterije, otpornike i sredstva za skladištenje vodonika. Ove strukture takođe imaju primenu kod displeja koji emituju svetlost, lekova i optičkog skladištenja.

"Već smo dokazali izvrsne foto-katalitičke osobine i nove hemijsko-senzorske uređaje sa našim novim materijalima", kaže Liu.

Tim je dokazao da ima punu kontrolu nad mestom i načinom formiranja kristala selektinim aktiviranjem konkretne površine koju žele da koriste za spontanu proizvodnju složenih trodimenzionalnih struktura koje se ne mogu proizvoditi na drugi način.

"Naš interes nije da dupliciramo mehanizme koji postoje kod prirodnih materijala", kaže Liu. "Niti želimo da reprodukujemo biominerale."

Međutim, dodaje Liu, neophodno je shvatiti karakter prirodne strategije i na osnovu toga naučiti kako stvarati slične strukture.

Strategije koje priroda koristi da stvara biomaterijale su drastično drugačije od sintetičkih pristupa. Prirodni materijali se proizvode na niskim temperaturama i ne proizvode značajne količine otpada. Morske školjke i diatomi luče kalcijum i silikatne jone iz vode okeana i proizvode čvrsta tkiva za zaštitu živih organizama.

Prirodni sistemi koriste sofisticirane proteinske molekule za precizno upravljanje morfologijom i pozicioniranjem biomaterijala da bi na taj način optimizirali osobine materijala kao što je njihova mehanička snaga. Kao rezultat toga, stvaraju se vrlo kompleksne strukture, na primer kod diatoma, i to iz vrlo jednostavnih hemikalija kao što je silikat. Silikat je, kaž e Liu, vrlo rasprostranjen keramički materijal sa kojim se često vrše laboratorijski eksperimenti.

Uopšteno govoreći, kaže Liu, pro teini izvode dva bitna trika. Prvo, pro teini kontrolišu gde se mineral deponuje. Drugo, oni kontrolišu kako se stvaraju minerali. Kod crvenog abalonea, morskog puža, vodorastvorljivi proteini kontrolišu proces mineralizacije kalcijum karbonata. Neki od ovih proteina su odgovorni za formiranje kalcita stubnog oblika (prirodni oblik kalcijum karbonata), a drugi za formiranje pločastih aragonita (neuobičajeni oblik kalcijum karbonata). Zajednička aktivnost ovih proteina stvara visoko organizovane nanokompozitne materijale izrađene od prostorno orijentisanih kalcitnih stubova i gusto postavljenih aragonit skih nano-pločica. Ovakva kombinacija daje najbolje mehaničke osobine tvrdim tkivima.

Prvi korak u ovom procesu je da se shvati i kontroliše hemija rastvora. Umesto da koristi visoke temperature, visoke koncentracije hemikalija, organske rastvarače, tim je prouč avao niske temperature - znatno ispod tačke ključanja 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 taloženje koje se obično javlja.

Pošto uloga proteina koji usmeravaju minerale nije još u potpunosti objašnjena, i pošto se ona ne može direktno primeniti na sintetičke materijale, koriste se jednostavni organski molekuli da bi se upravljalo rastom kristala. Takođe se primenjuje kompjutersko modeliranje radi razumevanja načina na koji se organski molekuli vezuju za kristale.

"Proizvodnja ovakvih slo ž enih nanostruktura je veoma velik izazov", kaže Liu. "Ovo je veoma važno novo polje istraž ivanja. Tu još mnogo šta ostaje neshvaćeno."

Ipak, kaže Liu, proizvodnja nano materijala u principu ostaje veliki naučni i tehnološki izazov. Skoro svi pristupi koji se sada koriste, podrazumevaju visoke temperature i složenu toksičnu hemiju.

Za nas je sada izazov da do kraja shvatimo kako organski molekuli utiču narast kristala. Liu kaže da to nije izazov samo za sintetičke materijale, nego i problem za biomineralizaciju koja zahteva napore fizičara, hemičara, biologa i naučnika koji izučavaju materijale. Još jedan izazov je da se definišu opšta pravila koja će biti osnova za proizvodnju različitih nano materijala.

Liu kaže da je ovaj istraživački tim sada u procesu izrade instrumenata za kontrolu isporuke, difuzije i prenosa hemijskih vrsta u reakcionim komorama.

"Koristi ć emo sve najsavremenije mogućnosti koje Sandia ima da dođemo do precizne kontrole svih eksperimentalnih parametara," kaže Liu. "Studije mikrofluida će nam možda ukazati na neke metode za kontinuiranu prozvodnju željenih specifičnih nanomaterijala, uključujući nano čestice, nanožice i složene nanostrukturisane slojeve."

Priredila: Žaneta Arnautović