1.5.1. Własności fizykochemiczne nanorurek węglowych.
Odkrycie nanorurek węglowych na elektrodach używanych do przygotowywania fullerenów przez S. Iijimę miało miejsce w 1991 r. Wielościenne nanorurki węglowe, złożone z cylindrów o powierzchniach wysoce zorganizowanych (atomy węgla w strukturach 'plastra miodu' sp2) były pierwszymi, jakie zaobserwował.
Nanorurki węglowe, razem z fullerenami reprezentują trzecią alotropową krystaliczną odmianę węgla. W zasadzie są one zwiniętymi cylindrycznie płatami grafitu, zakończonymi strukturami podobnymi do połowy fullerenu C60. Dwa główne typy to jednościenne nanorurki węglowe (Single Walled Carbon Nanotubes, SWCNTs), zwinięte w cylinder z pojedynczej warstwy grafenu i wielościenne nanorurki węglowe (Multiwalled Carbon Nanotubes, MWCNTs), stanowiące układ koncentrycznie zagnieżdżonych nanorurek podobnie jak kolejne warstwy w pniu drzewa. Odległość pomiędzy warstwami to ok 0.34 nm. Średnica SWCNT to 0.4 - 2 nm, natomiast dla MWCNT: 1.4 – 100 nm, podczas gdy długość osiąga rozmiary kilku µm dla obu typów. Wysoka gęstość elektronowa czyni nanorurki węglowe łatwo obserwowalnymi przy użyciu TEM-u. SWCNT widziane są zwykle jako wiązki z uwagi na silne oddziaływania van der Waalsa, MWCNT obserwowane są jako monodyspersyjne. [40-41]
Rys. 1.14. Obraz TEM wielościennych nanorurek węglowych MWCNT-COOH, strzałki pokazują obecność klastrów żelaza. [42].
Z względu na geometrię możemy wyróżnić nanorurki ze strukturą typu „armchair”, „zigzag” lub chiralną. Pomimo strukturalnego podobieństwa do grafitu, który jest półprzewodnikiem nanorurki mogą być metaliczne (zawierają się w tej klasie wszystkie nanorurki ze strukturą typu „armchair” i niektóre typu „zigzag”) lub półprzewodzące. Z powodu praktycznie 1-wymiarowej struktury elektronicznej transport ładunków w metalicznych nanorurkach ma charakter balistyczny (tzn. bez rozpraszania) w odległościach rzędu długości nanorurek, umożliwiając uzyskanie wysokich napięć bez znacznej utraty ciepła. Również fonony mogą być łatwo propagowane wzdłuż nanorurek. Nanorurki węglowe charakteryzują się także wysoką wartością modułu Younga i odpornością na wysokie siły naprężeń. Istnieje wiele metod wytwarzania nanorurek węglowych, między innymi wyładowania łuku elektrycznego, ablacja laserowa, chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD, chemical vapor deposition), często wykorzystywana jest obecność katalizatorów, najczęściej w postaci nanocząstek lub metali przejściowych. Wszystkie dotychczas znane metody syntezy nanorurek prowadzą do otrzymania produktów z pewną zawartością zanieczyszczeń – katalizatorów (Rys. 1.14), innych form węgla. Zanieczyszczenia te są usuwane (np. dzięki potraktowaniu kwasem), jednak wprowadza to inne zanieczyszczenia, degraduje długość i strukturę nanorurek oraz podnosi ich cenę. Dodatkowo nanorurki węglowe mogą być również funkcjonalizowane różnymi grupami chemicznymi.
Źródłem wyjątkowego zainteresowania badaczy nanorurkami węglowymi jest ich możliwe zastosowanie w wielu różnych dziedzinach, takich jak elektronika, inżynieria materiałowa a nawet medycyna. Zaproponowanych zostało wiele potencjalnych zastosowań nanorurek węglowych, m. in. przewodzące i odporne mechanicznie kompozyty, urządzenia do magazynowania i konwersji energii, czujniki, wyświetlacze (field emission displays), źródła promieniowania (źródła elektronów), magazynowanie wodoru, urządzenia półprzewodnikowe o rozmiarach rzędu nanometrów, sondy i złącza. Niektóre z tych zastosowań zostały już wdrożone, inne demonstrowane są w mniej lub bardziej zaawansowanym stopniu. Koszt nanorurek, ich polidyspersja i ograniczenia w przetwarzaniu oraz organizacji stanowią ważne bariery dla niektórych aplikacji. [40-41, 43]
a.5.2.
Funkcjonalizowanie nanorurek węglowych
Unikalne własności strukturalne, mechaniczne i elektryczne nanorurek wykorzystywane były najpierw głównie w inżynierii materiałowej. Później rozpoczęto badania ich interakcji głównie z białkami w celu rozwoju wydajnych biosensorów. Kombinacja nanorurek węglowych z białkami, kwasami nukleinowymi, polisacharydami utorowała ścieżkę badaniom nanorurek w połączeniu z biologicznymi systemami. Największą trudnością w badaniach biologicznych jest ich mały stopień dyspersji w środowisku wodnym. Jednym z rozwiązań jest ich funkcjonalizacja. Może być ona kowalencyjna i niekowalencyjna. Ta ostatnia przeprowadzana jest przy użyciu surfaktantów, kwasów nukleinowych, peptydów, polimerów. Zaletą tej metody jest fakt, iż zachowana zostaje elektroniczna struktura powierzchni nanorurek, co jest ważne w przypadku stosowania ich jako biosensorów. Użycie surfaktantów, choć wydajne, niesie z sobą również ograniczenia. Na przykład w przypadku badań biologicznych, mogą one przenikać przez błony biologiczne i charakteryzować się toksycznością [41].
Rys. 1.15. a) Mechanizm separacji nanorurek poprzez użycie surfaktantów oraz sonikacji; b) Zaproponowane modele adsorpcji molekuł surfaktanta na powierzchni nanorurek: (i) (ii) model cylindrycznych miceli, (iii) model półmiceli oraz (iv) model losowej adsorpcji. Rysunek na podstawie [44].
Druga metoda funkcjonalizacji polega na kowalencyjnym dołączaniu różnych grup funkcyjnych do zewnętrznej powierzchni nanorurek. Wprowadzają one odpychanie pomiędzy nanorurkami i pozwalają na ich łatwą dyspersję w rozpuszczalniku. W konsekwencji możliwa jest szeroka gama zastosowań w badaniach biologicznych: od użycia nanorurek jako substratu do wzrostu neuronów, podłoża dla liposacharydów, jako blokerów kanałów, czy też nośników substancji (leków, peptydów, białek, kwasów nukleinowych). [41]
Interesującym przedmiotem badań jest funkcjonalizacja nanorurek węglowych fosfolipidami i badanie oddziaływań nanorurek z błoną fosfolipidową czy też liposomami. Można tutaj wymienić badania, w których pokazano sposób funkcjonalizacji SWCNT przez błonę fosfolipidową [45]. Powierzchnia nanorurek węglowych była najpierw modyfikowana warstwą hydrofilowego polimeru, wokół której formowała się lipidowa warstwa. Możliwe okazało się również wstawienie białkowego oligomeru tworzącego por w dwuwarstwie. Utworzone struktury wg. autorów mogą zostać użyte m. in. jako biokompatybilne sondy wewnątrz komórek.
W pracy [46] zaproponowano hybrydowy nanosensor oparty o działanie tranzystora polowego, w którym zintegrowane zostały: sieć jednościennych nanorurek węglowych i sztuczna dwuwarstwa lipidowa (patrz Rys. 1.16.) Pokazano, że utworzona struktura może specyficznie wykrywać obecność i aktywność dynamiczną jonoforow (na przykładzie gramicydyny i kalcymycyny) w błonie lipidowej. Wskazano na potencjalne użycie nanosensora w badaniach innych białek membranowych (np. kanałów jonowych bramkowanych ligandem, receptorów, toksyn wbudowujących się w błony, peptydów o działaniu przeciwbakteryjnym).
Rys. 1.16. Nanosensor oparty o działanie tranzystora polowego, w którym zintegrowane zostały: sieć jednościennych nanorurek węglowych i sztuczna dwuwarstwa lipidowa zbudowana z lipidów DOPC, DOPA i cholesterolu. a) obraz SEM sieci nanorurek, b) zależność przewodności układu od przyłożonego napięcia bramki w tranzystorze, c) schemat układu. Rysunek pochodzi z [46]
Układy liposomów kowalencyjnie związanych z nanorurkami węglowymi zaproponowane zostały jako system dostarczania leków [47]. Nanorurki, mogące łatwo przenikać przez błony mogą przyspieszyć dostarczenie leku do określonego miejsca. Dzięki temu unika się utraty leku w naczyniach krwionośnych, co ma miejsce, gdy używane są tylko liposomy.
Tworzone są również symulacje mające dać odpowiedź na pytania o interakcje nanorurek węglowych z błonami fosfolipidowymi. W pracy [48] symulowano przejście nanorurki węglowej przez błonę złożoną z POPC lub POPC z domieszką cholesterolu. Obliczono siłę potrzebną na przebicie błony, zależną od prędkości nanorurki oraz energię swobodną, związaną z przeniknięciem nanorurki przez błonę. Zostało to zilustrowane graficznie na Rys.1.17.
Rys. 1.17. Ilustracja, pokazująca nanorurkę węglową, przenikającą przez dwuwarstwę lipidową. Rysunek pochodzi z [48].
Wyniki symulacji przemieszczenia przez błonę fosfolipidową krótkich (5 µm), jednościennych nanorurek węglowych przedstawione zostały w [49]. Obliczenia pokazały, że nanorurki mają tendencję do pasywnego opartego na dyfuzji przechodzenia przez błony fosfolipidowe. Zaproponowano różne modele dla nanorurek z otwartymi lub zamkniętymi końcami, funkcjonalizowanych i bez funkcjonalizacji. Przykładowe ilustracje symulowanych procesów pokazane są na Rys. 1.18.
Rys. 1.18. Ilustracja przenikania przez błonę nanorurki węglowej z a) zamkniętymi, b) otwartymi końcami. Rysunek pochodzi z [49].
Badano również organizację cząsteczek DPPC wokół SWCNT [50]. Symulacje dla niskiej koncentracji DPPC pokazały organizację molekuł w dwie cylindryczne warstwy wokół nanorurki. Hydrofobowe łańcuchy fosfolipidów zaadsorbowane zostały na powierzchni nanorurki, natomiast części hydrofilowe zorientowane były w kierunku fazy wodnej (Rys. 1.19).
Rys. 1.19. a) i b) Samoorganizacja molekuł DPPC wokół SWCNT przypadku niskiej koncentracji fosfolipidów (46 molekuł), c) Obserwowano maksima adsorpcji dla 11.01 i 15.41 A, co pokazuje istnienie 2 warstw wokół SWCNT na rys a). Pierwsza warstwa powstaje na skutek oddziaływania van der Waalsa pomiędzy łańcuchami DPPC a nanorurką węglową. Rysunki pochodzą z [50].
W przypadku większego stężenia fosfolipidów formowały one wielowarstwowe struktury wokół nanorurki(Rys. 1.20). W punkcie nasycenia obserwowano samoorganizację w strukturę podobną do błony o szerokości 41.4 Å. Autorzy stwierdzają również, że wyniki ich symulacji są zgodne z eksperymentalnymi obserwacjami, w których na nanorurkach pokrytych DPPC obserwowano regularne prążki.
Rys. 1.20. W przypadku wysokiej koncentracji fosfolipidów wokół nanorurki samoorganizuje się struktura podobna do błony, w której środku znajduje się nanorurka, przypominająca nanoigłę, przebijającą błonę. Rysunki pochodzą z [50].
a.5.3.
Oddziaływanie nanorurek węglowych na organizmy roślinne
Pozytywny wpływ nanorurek węglowych na wzrost roślin opisywany był przez kilka grup badawczych. Zwiększenie wzrostu korzeniu w przypadku cebuli, ogórka i żyta opisane zostało m. in. w pracach [52-53]. W pracy [54] pokazano, że nanorurki węglowe mogą przemieszczać się do owoców, liści i korzeni pomidora. Wywołało to silną interakcję nanorurek z sadzonkami tych roślin i skutkowało znacznymi zmianami w ekspresji genów. Rośliny potraktowane nanorurkami węglowymi miały 2-krotnie więcej kwiatów i owoców w stosunku do roślin kontrolnych (patrz Rys. 1.21.). W pracy [55] pokazano, że SWCNT mogą przechodzić przez ścianę komórkową i błony komórek tytoniu. Niektóre badania wskazują, iż MWCNT przenikają do nasion zwiększając ich kiełkowanie [56-57].
Wielu badaczy wskazuje jednak także na negatywne efekty traktowania nasion, komórek roślinnych czy całych roślin nanorurkami węglowymi. Są to np.: (i) redukcja biomasy w przypadku badania cukinii [58], (ii) zmniejszenie długości korzeni sałaty [59], (iii)
uszkodzenia komórek ryżu– kondensacja chromatyny w cytoplazmie i śmierć komórek [60], (iv) opóźnione kwitnienie, zmniejszona wydajność [61].
Część prac wskazywała również na brak wpływu nanorurek na kiełkowanie, długość korzeni czy też inne cechy badanych roślin [52-53, 61].
Rys. 1.21. Wpływ węgla aktywowanego (AC) i nanorurek węglowych (CNT) na niektóre cechy fenotypowe pomidorów. AC i CNT dostarczano do roślin w trakcie podlewania. Stężenie CNT: 50 i 200 µg/ml a) Średnia wysokość roślin, b) po lewej roślina kontrolna, po prawej: traktowana nanorurkami o stężeniu 200 µg/ml, c) średnia liczba owoców, średnia liczba kwiatów. Rysunki pochodzą z pracy [54].