| Olimpia Orządała |
Nanomateriały charakteryzują się tym, że co najmniej jeden z ich wymiarów jest w skali nanometrycznej, czyli na poziomie cząsteczek i pojedynczych atomów. W przypadku grafenu i tlenku grafenu jest to grubość, z kolei nanorurki węglowe oraz nanocząstki srebra i złota mają średnicę w skali nanometrycznej. Co ciekawe, okazuje się, że nanomateriały pod dużym powiększeniem przypominają rzeczy z życia codziennego. Pod mikroskopem elektronowym nanorurki wyglądają jak spaghetti, grafen czy tlenek grafenu przypominają welony, natomiast pianki grafenowe to po prostu… pianki. Badaniem tych wyjątkowych materiałów zajmuje się prof. dr hab. Rafał Sitko wraz z kierowanym przez niego zespołem chemii analitycznej w Instytucie Chemii Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.
Naukowiec bada m.in. właściwości adsorpcyjne grafenu i tlenku grafenu. Adsorpcja polega na gromadzeniu się cząsteczek na powierzchni ciała stałego.
– Nanomateriały są bardzo interesującymi adsorbentami, ponieważ mogą przyłączać na swojej powierzchni duże ilości jonów lub związków chemicznych – wyjaśnia prof. R. Sitko.
Grafen ma strukturę plastra miodu i jest dobrym adsorbentem dla niepolarnych i polarnych związków organicznych. Dodatkowo ma właściwości hydrofobowe, czyli odpycha od siebie cząsteczki wody, a jego przeciwieństwem jest tlenek grafenu, który odznacza się właściwościami hydrofilowymi dzięki obecności wielu grup funkcyjnych, takich jak grupy karboksylowe i hydroksylowe. To właśnie grupy funkcyjne mogą przyłączać jony metali, czyli adsorbować.
– Na tlenek grafenu można patrzeć jako na pochodną grafenu, ale tak naprawdę droga wytwarzania tych nanomateriałów jest odwrotna. Najpierw z grafitu otrzymujemy tlenek grafenu, a następnie grafen – wyjaśnia chemik.
Badania naukowców z UŚ pokazały, że tlenek grafenu ma jedne z największych pojemności sorpcyjnych w stosunku do jonów metali. Na przykład jeden gram tlenku grafenu jest w stanie zaadsorbować prawie jeden gram jonów ołowiu.
– W laboratorium odpowiednio modyfikujemy tlenek grafenu, żeby zmienić jego właściwości chemiczne, głównie w kierunku uzyskania większej selektywności. Tlenek grafenu przyłącza większość metali. Czasami jednak potrzebujemy oddzielić metale, czyli zmienić właściwości na bardziej selektywne tak, aby tylko jeden jon albo kilka wybranych jonów adsorbowało się na tlenku grafenu. Ponadto wysoka selektywność niektórych modyfikacji nanomateriałów pozwala nam rozróżnić formy, w jakich występuje jon, np. czy jest to arsen na piątym czy na trzecim, bardziej toksycznym, stopniu utlenienia. Jest to tak zwana analiza specjacyjna – mówi prof. R. Sitko.
Nanomateriały mogą być stosowane jako adsorbenty po to, żeby oddzielić interesujące naukowców jony metali od matrycy próbki, która zazwyczaj przeszkadza w analizie chemicznej.
– Często nowoczesne techniki instrumentalne, jakimi się posługujemy, pozwalają uzyskać granice wykrywalności, które są niewystarczające do tego, by móc oznaczać w próbkach ultraśladowe ilości metali, dlatego żeby je zatężyć, używamy nanomateriałów – twierdzi badacz.
W tym celu chemicy do próbki o większej objętości dodają mikrogramowe ilości nanomateriałów, które adsorbują metale. Następnie oddzielają nanomateriał, by w kolejnym etapie oznaczyć metale różnymi technikami, takimi jak rentgenowska spektometria fluorescencyjna z dyspersją energii, spektometria rentgenowska z całkowitym odbiciem promieniowania czy emisyjna spektrometria atomowa ze wzbudzeniem w plazmie.
– Szczególnie interesujące wydaje mi się oznaczanie metali technikami rentgenowskimi, ponieważ nanomateriały nie emitują własnego charakterystycznego promieniowania – stwierdza chemik, któremu szczególnie bliskie sercu są właśnie techniki oparte na promieniu rentgenowskim.
Dofinansowanie projektu prof. Rafała Sitko, realizowanego w ramach konkursu OPUS Narodowego Centrum Nauki, pozwoliło zakupić rentgenowski spektrometr fluorescencyjny z całkowitym odbiciem promieniowania TXRF, który znajduje się w Instytucie Chemii UŚ. Technika ta pozwala oznaczać pierwiastki na bardzo niskim poziomie.
– Wyjątkowość tej techniki polega na tym, że potrafimy oznaczyć stężenia pierwiastków poniżej ppb (liczba cząstek na miliard innych) w próbkach o objętości nawet 10 mikrolitrów. Potrzebujemy zatem bardzo niewiele materiału do badań. W jednostkach bezwzględnych oznacza to, że jesteśmy w stanie wykryć pikogramy danego pierwiastka. Z kolei metody zatężania z wykorzystaniem nanomateriałów węglowych, pozwalają nam zejść z granic wykrywalności ppb na ppt (liczba cząstek na bilion). A to są już bardzo niskie granice wykrywalności – przyznaje naukowiec.
Co ciekawe, spektrometria TXRF należy do tzw. zielonych technik. Urządzenie to nie zużywa dużo energii, praktycznie tyle co komputer osobisty, ponieważ jest wyposażone w lampę o małej mocy. Nie zużywa także żadnych gazów, w przeciwieństwie do takich technik, jak ICP-OES, gdzie zużywa się bardzo dużo argonu.
– Większość metod oznaczania metali, które opracowujemy, wpisuje się w tzw. zasady zielonej chemii, czyli małe zużycie odczynników, energii i mała ilość odpadów – mówi naukowiec.
W ramach badań prof. Rafał Sitko współpracuje m.in. z dr. Maciejem Serdą, który zajmuje się fulerenami i ich pochodnymi. W wyniku tej współpracy powstały różne materiały, np. tlenek grafenu czy nanorurki węglowe modyfikowane tiosemikarbazydami, które okazały się bardzo selektywne w oznaczaniu jonów rtęci. To pozwoliło naukowcom oznaczać rtęć na pikogramowym poziomie w próbkach żywności, napojach, wodach kranowych i mineralnych. Chemicy badali również fulerenole, czyli pochodne fulerenu, które mają dużo grup hydroksylowych. Ich wadą jest jednak to, że są świetnie rozpuszczalne w wodzie, przez co nie nadają się na adsorbenty.
– Stąd pomysł, żeby fulerenole przyczepić do powierzchni tlenku grafenu na drodze reakcji chemicznych i przebadać właściwości adsorpcyjne takiego nanomateriału – mówi prof. R. Sitko. – Okazało się, że ma on naprawdę wyjątkowe właściwości w stosunku do jonów ołowiu. Jeden gram tego nanomateriału jest w stanie zaadsorbować 1300 miligramów jonów ołowiu. To bardzo dużo, ponieważ klasyczne adsorbenty, jak np. bardzo popularny węgiel aktywny czy krzemionka, adsorbują zwykle kilka lub kilkanaście miligramów jonów – dopowiada naukowiec.
Badania nad nanomateriałami węglowymi są nieustannie prowadzone przez zespół chemii analitycznej UŚ, kierowany przez prof. Rafała Sitko. Na kolejnych modyfikacjach nanorurek węglowych i tlenku grafenu skupia się dr Marcin Musielak w ramach projektu dofinansowanego w konkursie PRELUDIUM Narodowego Centrum Nauki. Dr Karina Kocot zajmuje się piankami grafenowymi, a dr hab. Katarzyna Pytlakowska, prof. UŚ tlenkiem grafenu i nanocząstkami nieorganicznymi, również w adsorpcji jonów metali. Dr hab. Barbara Feist, prof. UŚ z kolei modyfikuje tlenek grafenu, natomiast prof. dr hab. Beata Zawisza oprócz tego, że wspólnie z prof. R. Sitko bada grafen, w ostatnim czasie zajmuje się wielowarstwowymi wodorotlenkami, które wykazują interesujące właściwości adsorpcyjne.
Prof. dr hab. Rafał Sitko pracuje w Instytucie Chemii Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. Naukowiec znalazł się w rankingu World’s TOP 2% Scientists 2022, przygotowanym przez Uniwersytet Stanforda we współpracy z wydawnictwem Elsevier i firmą SciTech Strategies. Został sklasyfikowany w zestawieniu dorobku naukowego od początku kariery (do końca 2022 roku) i w zestawieniu najczęściej cytowanych naukowców z ostatniego roku kalendarzowego.
Prof. dr hab. Rafał Sitko z Instytutu Chemii Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach | fot. archiwum prywatne