Σύνθεση, χαρακτηρισμός και μελέτη ιδιοτήτων υβριδικών υπερδομών χαμηλοδιάστατων υλικών

Abstract

The main subject of this doctoral thesis was focused on the design and development of novel nanostructured hybrid materials. The research work was divided into four sections, each of which represents a part of the most important categories of structures and properties. The as prepared superparamagnetic iron oxide nanoparticles were firstly converted into hydrophilic and chemically active through a novel and unconventional process by “trimming” the surface organic coating. The study of their biological activity revealed interesting results for their selective toxic properties against cancer cells. Hydrophilic nanoparticles were also used to develop hybrid superstructures by conjugating boronic acid molecules on the surface. The hybrid nanomaterial was used to bind, via boronic acid, and magnetically remove glucose from aqueous dispersions. The popular family of carbon nanomaterials was represented in this work by three nanostructures with different geometry. Nanodiscs, nanotubes and graphene were chemically activated through covalent surface functionalization and subsequently were used as substrates for lysozyme immobilization. The as produced superstructures displayed nanobiocatalytic properties as well as the biological activity of the enzyme was affected by nanomaterials morphology.Exfoliation of graphene by using fuming nitric acid was also proceeded. According to this simple method, the intercalated nitrate compounds do not interact with the aromatic system. Thus, high-quality, microcrystalline graphene structure, especially after thermal stabilization, remained unaffected and demonstrated extremely high electrical conductivity.Porous carbons with three-dimensional hierarchical porous network were studied at the last section of this work. The hierarchical porous materials were developed by using sucrose as carbon precursor through hard template and ice template strategies. Variation in precursor: template ratio and different combinations of hard templates led to a wide range of hierarchical porous structures with non-identical porous properties.

Αντικείμενο της Διδακτορικής Διατριβής αποτέλεσε ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη νέων νανοδομημένων υβριδικών υλικών. Οι τέσσερις ενότητες, στις οποίες διαμερίστηκε η έρευνα, συμπεριέλαβαν νανοϋλικά που καλύπτουν μεγάλο εύρος από τις πιο σημαντικές ομάδες δομών και ιδιοτήτων. Τα υπερπαραμαγνητικά νανοσωματίδια κατασκευασμένα από οξείδιο του σιδήρου, τροποποιήθηκαν επιφανειακά με μία καινοτόμο και ανατρεπτική μέθοδο «ψαλιδίσματο» των επιφανειακών μορίων προκειμένου να μετατραπούν σε υδρόφιλα και χημικά δραστικά. Η μελέτη της βιολογικής τους δράσης αποκάλυψε ενδιαφέροντα αποτελέσματα για τον επιλεκτικά τοξικό χαρακτήρα τους απέναντι σε καρκινικά κύτταρα. Τα υδρόφιλα νανοσωματίδια χρησιμοποιήθηκαν, επίσης, για την ανάπτυξη υβριδικής υπερδομής με την επιφανειακή ακινητοποίηση βορονικού οξέος. Το υβριδικό νανοϋλικό χρησιμοποιήθηκε για την δέσμευση, μέσω του βορονικού οξέος, και απομάκρυνση γλυκόζης από υδατικό διάλυμα. Η δημοφιλής οικογένεια των νανοϋλικών άνθρακα εκπροσωπήθηκε σε αυτή την εργασία από τρεις νανοδομές με διαφορετικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά. Οι νανοδίσκοι, οι νανοσωλήνες και το γραφένιο ενεργοποιήθηκαν χημικά με επιφανειακή τροποποίηση και στη συνέχεα, λειτούργησαν ως υπόστρωμα για την ακινητοποίηση λυσοζύμης. Οι υπερδομές, που αναπτύχθηκαν, λειτουργούν ως νανοβιοκαταλύτες ενώ οι βιολογικές ιδιότητες του ενζύμου στις υπερδομές συσχετίζονται με το σχήμα του νανοϋλικού. Ακόμα, αναπτύχθηκε αποφυλλοποιημένο γραφένιο με ένθεση νιτρικών ιόντων από ατμίζον νιτρικό οξύ. Αυτή η συνθετική πορεία αφήνει ανεπηρέαστη την αρωματική δομή των γραφενικών φυλλών και σταθερά αποφυλλοποιημένη με την απομάκρυνση των ιόντων. Ως εκ τούτου, το θερμικά σταθεροποιημένο υβριδικό γραφένιο παρουσιάζει εξαιρετικά υψηλή τιμή ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Τέλος, μελετήθηκε η ανάπτυξη υλικών άνθρακα με τρισδιάστατο ιεραρχημένο δίκτυο πόρων. Τα υλικά κατασκευάστηκαν από σακχαρόζη ως πρόδρομη ένωση άνθρακα, και συνδυασμό των μεθόδων σκληρού εκμαγείου και εκμαγείου πάγου. Η εφαρμογή των σκληρών εκμαγείων σε διαφορετικές αναλογίες και συνδυασμούς αποκάλυψε τον καθοριστικό ρόλο του συνδυασμού μεγέθους του σκληρού εκμαγείου και της αναλογίας στη δημιουργία μικρο-, μεσο- και μακρο- πόρων. Έτσι, προέκυψε εύρος ιεραρχημένων δομών με διαφορετικά πορώδη χαρακτηριστικά.