Nanokompozyty to obecnie jedna z najciekawszych grup materiałów poddawanych intensywnym badaniom na całym świecie. Niesłabnące zainteresowanie naukowców wynika m.in. z możliwości stosowania tych związków w nowoczesnej elektronice czy medycynie. Nanokompozyty składające się z nanoferrytów spinelowych i nanorurek węglowych bada od kilku lat także dr hab. Anna Bajorek, prof. UŚ z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych. Wraz z międzynarodowym zespołem jako pierwsza dokonała pomiarów fotoemisji rezonansowej Res-PES oraz absorpcji rentgenowskiej XAS na linii PHELIX na synchrotronie SOLARIS.

Dr hab. Anna Bajorek, prof. UŚ oraz dr hab. Jerzy Kubacki w trakcie wykonywania pomiarów na linii badawczej PHELIX

PHELIX to nazwa jednej z eksperymentalnych linii badawczych synchrotronu SOLARIS. Znajduje się w Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego w Krakowie i służy przede wszystkim do wykonywania innowacyjnych badań spektroskopowych i absorpcyjnych, które charakteryzują się różną czułością powierzchniową. Pozwala również mapować tzw. struktury pasmowe analizowanego materiału w trzech wymiarach, dzięki czemu naukowcy mogą lepiej poznać właściwości interesujących ich materiałów. Warto dodać, że inicjatorem powstania tej linii był prof. dr hab. Jacek Szade ze Śląskiego Międzyuczelnianego Centrum Edukacji i Badań Interdyscyplinarnych UŚ.

– Prace konstrukcyjne trwały kilka lat, dlatego musieliśmy poczekać z rozpoczęciem badań z wykorzystaniem linii PHELIX. Choć pandemia mocno opóźniła prowadzone prace, w tym roku w końcu mogliśmy rozpocząć wykonywanie analiz przy pomocy tego nowoczesnego rozwiązania technicznego – mówi dr hab. Anna Bajorek, prof. UŚ, która od około trzech lat zajmuje się badaniem nanokompozytów.

Jej międzynarodowy zespół był drugim w historii linii, który rozpoczął tam badania. Warto również dodać, że jako pierwsi dokonali pomiarów fotoemisji rezonansowej Res-PES oraz absorpcji rentgenowskiej XAS swoich próbek nanokompozytów.

– Jesteśmy obecnie na etapie analizy danych i planujemy wkrótce opublikować pierwsze wyniki naszych badań – dodaje naukowiec z Uniwersytetu Śląskiego.

Aby lepiej zrozumieć możliwości, jakie daje linia PHELIX, warto przyjrzeć się bliżej naturze nanokompozytów. Jak przyznaje badaczka, od wielu lat nanomateriały są przedmiotem intensywnych badań fizycznych i chemicznych na całym świecie. Ich ciekawe właściwości otwierają przed nami całkiem sporo potencjalnych zastosowań, dlatego coraz częściej spotykamy je nie tylko w zaawansowanej elektronice czy w medycynie, lecz również w przedmiotach codziennego użytku.

– Wybrane przez nas nanokompozyty także są interesujące z perspektywy aplikacyjnej. Możemy z nich tworzyć magnesy stałe w technologii energooszczędnej, sprawdzą się jako ciecze magnetyczne, materiały w zastosowaniach chemicznych, np. w fotokatalizie. Dostrzegam też możliwości wykorzystania ich w medycynie – jako nośników substancji farmaceutycznych w tzw. terapiach celowanych czy środków kontrastowych w rezonansie magnetycznym. To sprawiło, że stały się moim głównym przedmiotem zainteresowań badawczych – wyjaśnia prof. Anna Bajorek.

Linia badawcza PHELIX na synchrotronie SOLARIS

Wybrane przez badaczkę nanokompozyty składają się z dwóch rodzajów materiałów. Pierwszym z nich są tzw. materiały 3D, które stanowią nanocząstki zawierające żelazo związane tzw. strukturą spinelową. Stąd też ich nazwa: nanoferryty spinelowe.

– Oznacza to, że pierwiastki żelaza mają aż dwie różne pozycje w sieci krystalicznej – mówi naukowiec.

Drugim składnikiem nanokompozytów są nanorurki węglowe – materiały z grupy 1D, stabilne chemicznie struktury, które również budzą spore zainteresowanie w nauce, przemyśle i medycynie.

– Znamy zalety obu elementów. Doszliśmy do wniosku, że warto je połączyć. Interesuje nas efekt synergii. Chcemy uzyskać nanokompozyt o jeszcze lepszych właściwościach niż prosta suma właściwości obu składników – podkreśla fizyczka.

Nanokompozyt projektowany był z myślą o konkretnych aplikacjach. To praktyczne zastosowania decydują o właściwościach, jakie powinien mieć nowy materiał. – Tak wygląda początek naszych działań. Dzięki temu wiemy, na czym nam najbardziej zależy i czego szukamy. Gdy dokonaliśmy wyboru składników, w kolejnym etapie dobieraliśmy odpowiednie metody syntezy tych struktur, a następnie planowaliśmy sprawdzić, czy uzyskaliśmy materiał o pożądanych właściwościach – mówi badaczka.

Jest to szczególnie ważne w przypadku nanokompozytów, które mogą znaleźć zastosowanie w medycynie, a więc będą wykorzystywane w kontakcie z żywymi tkankami. Muszą być biozgodne i nie powinny wyrządzić szkody w organizmie człowieka.

– Choć w naszych laboratoriach nie wykonujemy badań na tkankach zwierzęcych, musimy brać pod uwagę i ten warunek dopuszczenia przyszłych materiałów do zastosowań medycznych. Droga od projektu do aplikacji jest oczywiście długa, ale jeśli wstępne efekty naszych prac okażą się obiecujące, będziemy mogli planować kolejne badania aplikacyjne, np. we współpracy z naukowcami prowadzącymi badania biozgodności – zapewnia prof. Anna Bajorek.

Testy nanokompozytów składających się ze struktur spinelowych z żelazem oraz nanorurek węglowych rozpoczęły się dwa lata temu. Pierwsze badania właściwości nanocząstek okazały się na tyle obiecujące, że naukowcy postanowili kontynuować prace m.in. w ramach podwójnych studiów z nanofizyki, realizowanych na Uniwersytecie Śląskim w Katowicach we współpracy z francuskim Uniwersytetem w Le Mans. W prowadzenie badań zaangażowali się wówczas studenci. Następnie przedmiotem zainteresowań badawczych zespołu prof. Anny Bajorek stały się nanokompozyty.

– Postanowiliśmy zastosować dwa rodzaje syntezy. Nie wnikając za bardzo w szczegóły, mogę zdradzić, że pierwszy sposób polegał na tworzeniu mieszaniny obu składników, natomiast w przypadku drugiego próbowaliśmy doprowadzić do tego, aby nanoferryty spinelowe niejako „rosły” na powierzchni nanorurek węglowych. Następnie sprawdzaliśmy, który z materiałów ma lepsze właściwości – wyjaśnia fizyk. Ta część badań była prowadzona we współpracy z naukowcami reprezentującymi Uniwersytet w Le Mans, Politechnikę Śląską oraz Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk.

Prof. Anna Bajorek podczas jednego ze staży naukowych we Francji poznała również prof. Pabitra Chakrabarti z Indii. – Profesor nawiązał ze mną kontakt i zapytał, czy istnieje szansa rozpoczęcia współpracy między naszymi zespołami badawczymi. Otrzymałam od niego gotowe materiały do analizy i okazało się, że są to nanokompozyty zbliżone do tych, którym przyglądamy się w Polsce. Różnicą był dodany tlenek grafenu. Wiemy, że możemy się spodziewać po takim materiale obiecujących właściwościach elektrycznych, a to znów przekłada się na ciekawe możliwości aplikacyjne. Spodziewam się owocnej współpracy, dlatego już teraz złożyliśmy kolejne wnioski na badania synchrotronowe i przygotowujemy wspólny grant badawczy. Wszystko wskazuje na to, że znów powrócimy do Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS w Krakowie, a konkretniej – do linii PHELIX – wyjaśnia badaczka.

Linia ta wykorzystuje promieniowanie rentgenowskie umożliwiające dostosowanie energii fotonów w zakresie od 30 do 1500 eV. Choć metoda fotoemisji rentgenowskiej jest znana od wielu lat, linia PHELIX umożliwia zmianę energii padającego promieniowania. Dzięki temu wykonywane analizy są jeszcze bardziej czułe, a przez to dokładniejsze.

Już teraz wiadomo, że przygotowane przez naukowców próbki są niezwykle przyjazne do prowadzenia badań synchrotronowych. Do tej pory nie zaobserwowali żadnych trudności w wykonywaniu analiz z wykorzystaniem linii PHELIX, co utwierdza ich w przekonaniu, iż warto kontynuować wybrany temat badawczy. Równolegle przygotowują również obrazy mikroskopowe projektowanych struktur, aby opis nowych nanokompozytów był jeszcze pełniejszy.

Badania w projekcie pn. „Resonant photoemission study of the synergic effect in selected NZFO/f-MWCNTs nanocomposites” realizowanym na linii PHELIX synchrotronu SOLARIS w ramach badań grupy nanokompozytów prowadzone są w międzynarodowym zespole w składzie: dr hab. Jerzy Kubacki, prof. Jean-Marc Greneche, Bogumiła Szostak, dr Mirosława Pawlyta, dr Mateusz Dulski, prof. UŚ, dr Sabina Lewińska, prof. dr hab. Anna Ślawska- -Waniewska. Pracami zespołu kieruje prof. Anna Bajorek z Instytutu Fizyki UŚ.