Σύνθεση και χαρακτηρισμός οργανικών-ανόργανων νανοδομών για την ανάπτυξη νέων υλικών με εφαρμογή σε τεχνολογίες αιχμής

Abstract

This thesis focuses on the growth of inorganic nanoparticles on the surface of polymeric and silica nanospheres. In contrast to the conventional synthesis of inorganic nanoparticles through the utilization of surfactant molecules, here, the physiochemical characteristics of the nanostructured substrates are being assessed as parameters for tailoring the growth of inorganic nanoparticles on their surface. Particularly, two different experiments were studied. In the first case study, poly methacrylic acid nanospheres were developed to support the growth of silver nanoparticles on their surface. The parameters examined were the crosslinker to monomer ratio, the size of the polymer nanospheres (surface area), and the pH value of the medium during the growth of silver nanoparticles. The crosslinker to monomer ratio at the value of 35% exhibited improved adhesion for the as grown silver nanoparticles, the size of the polymeric nanospheres affects the silver nanoparticle size distribution whereas the pH of the medium significantly increased the silver percentage on the hybrid nanostructures. Consequently, three polymer nanostructures were developed which exhibited silver nanoparticles with three different size distributions respectively and their antimicrobial action was tested against the microbial strains of escherichia coli(E.Coli) and staphylococcus aureus(S.Aureus). The optimum antimicrobial action was observed on the polymer sample with the largest diameter with sharp silver nanoparticle size distribution (~3nm) which exhibited minimum bactericidal concentration at 8 μg/ml and 32 μg/ml for the strains of Escherichia Coli and staphylococcus aureus, respectively. In the second case study, silica nanospheres were developed and their surface was modified with iron chloride to synthesize catalytic nanostructures that promote the growth of carbon nanotubes. The catalytic activity is attributed to the formed iron oxide nanoparticles on the surface of silica nanospheres. Consequently, the aim of this study focused on the identification of the parameters that promote attachment of iron ions on the nanosilica structures. The parameters examined were the temperature and the pH of the medium during the stirring of the silica nanospheres with iron chloride whereas mesoporous silica nanostructured were additionally synthesized to assess the parameter of porosity. Both the pH and the temperature promoted the attachment of iron species which resulted in the growth of carbon nanotubes with sharp diameter distribution. The mesoporous structures have also contributed to the attachment of iron species and the catalytic growth of carbon nanotubes with sharp diameter distribution, however, in this sample vertically aligned carbon nanotubes were also observed

Στη παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνάται η ανάπτυξη ανόργανων νανοσωματιδίων στην επιφάνεια πολυμερικών και πυριτικών νανοδομών. Σε αντίθεση με την συμβατική μέθοδο ανάπτυξης νανοσωματιδίων με τη χρήση επιφανειοδραστικών ουσιών, εδώ εξετάζονται τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των νανοδομημένων υποστρωμάτων ως παράμετροι για την έλεγχο της ανάπτυξης ανόργανων νανοσωματιδίων στην επιφάνειά τους. Πιο συγκεκριμένα, εξετάστηκαν δυο διαφορετικές συνθέσεις. Στην πρώτη περίπτωση, συντέθηκαν νανοσφαίρες πολυμεθακριλικού οξέος όπου στην επιφάνειά τους αναπτύχθηκαν νανοσωματίδια αργύρου. Οι παράμετροι που εξετάστηκαν ήταν, η αναλογία διασταυρωτή/μονομερές, το μέγεθος των σφαιρών (ειδική επιφάνεια) και η τιμή του pH κατά την ανάπτυξη των νανοσωματιδίων αργύρου. Η αναλογία διασταυρωτή/μονομερές στο 35% έδειξε ότι βελτιώνει την πρόσδεση των νανοσωματιδίων στο πολυμερές, το μέγεθος των νανοσφαιρών επηρεάζει την κατανομή μεγεθών των νανοσωματιδίων αργύρου, ενώ η ρύθμιση του pH στην τιμή ιονισμού των πολυμερικών νανοσφαιρών βελτιστοποιεί το ποσοστό αργύρου στην τελική δομή. Συμπερασματικά, συντέθηκαν τρία δείγματα πολυμερούς-αργύρου με διαφορετικά μεγέθη πολυμερικών νανοσφαιρών το οποία ανέπτυξαν διαφορετικές κατανομές μεγεθών νανοσωματιδίων αργύρου και εξετάστηκαν ως προς την αντιμικροβιακή τους δράση ενάντια στα στελέχη της Εσερίχιας κόλι (E.Coli) και του χρυσίζων Σταφυλόκοκκου(S.Aureus). Η βέλτιστη αντιμικροβιακή δράση εμφανίστηκε στις πολυμερικές δομές με μεγάλο μέγεθος και στενή κατανομή μεγεθών (~3nm) με ελάχιστη βακτηριοκτόνο συγκέντρωση στα 8μg/ml και 32 μg/ml για την Εσερίχια Κόλι και τον Χρυσίζων Σταφυλόκοκκο, αντίστοιχα. Η υπόθεση που σχηματίστηκε είναι πως αυτές οι δομές δημιουργούν ένα καλό εναιώρημα στο υδατικό περιβάλλον της μικροβιακής καλλιέργειας το οποίο ευνοεί την καλύτερη οξείδωση των νανοσωματιδίων αργύρου και την παραγωγή ιόντων αργύρου που συντελούν στην βακτηριοκτόνο δράση. Στην δεύτερη περίπτωση, συντέθηκαν νανοσφαίρες πυριτίας όπου η επιφάνειά τους τροποποιήθηκε με χλωριούχο σίδηρο με σκοπό να δημιουργηθούν καταλυτικές νανοδομές για την παραγωγή νανοσωλήνων άνθρακα στην επιφάνειά τους μέσω της τεχνικής χημικής εναπόθεσης ατμών. Η καταλυτική δράση αποδίδεται στις δομές των νανοσωματιδίων οξειδίου του σιδήρου που αναπτύσσεται κάθε φορά πάνω στην επιφάνεια των πυριτικών δομών. Συμπερασματικά, στόχος αυτής της μελέτης ήταν οι ανίχνευση των παραμέτρων που ευνοούν την πρόσδεση ιόντων σιδήρου στις πυριτικές δομές. Οι παράμετροι που εξετάστηκαν ήταν η θερμοκρασία και η τιμή του pH κατά την ανάδευση των πυριτικών νανοσφαιρών με χλωριούχο σίδηρο ενώ αναπτύχθηκαν και νανοσφαίρες μεσοπορώδους πυριτίας για να εξεταστεί και η ικανότητα του πορώδους στην προσρόφηση ιόντων σιδήρου. Τόσο το pH όσο και η θερμοκρασία ευνοούν την αποπρωτονίωση των υδροξυλομάδων της πυριτίας και την πρόσδεση ιόντων σιδήρου που συντελούν στην δημιουργία νανοσωματιδίων οξειδίου του σιδήρου τα οποία εν συνεχεία είχαν καταλυτική δράση στην ανάπτυξη νανοσωλήνων άνθρακα με στενή κατανομή διαμέτρων. Παρόλα αυτά οι τελικές δομές εμφάνιζαν μεγάλο ποσοστό οξειδίου του σιδήρου αλλά και άμορφο άνθρακα όπως φάνηκε στις μετρήσεις θερμοβαρυμετρικής ανάλυσης και σκέδασης Raman, αντίστοιχα. Απ’ την άλλη μεριά το πορώδες συντέλεσε στην προσρόφηση ιόντων σιδήρου και στην ανάπτυξη νανοσωλήνων άνθρακα καθώς επίσης και δομών παράλληλα διευθετημένων νανοσωλήνων άνθρακα.