Znajdź zawartość

Doktor Juan Carlos Colmenares z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk pracuje nad robiącą niezwykłe wrażenie metodą oczyszczania wody i odzyskiwania z niej pożytecznych związków chemicznych. Moja praca przypomina trochę alchemię. Biorę ‚magiczny proszek’, wsypuję do brudnej wody, mieszam i wystawiam na słońce. Po paru godzinach mam czystą wodę plus substancje, z których można zrobić użyteczne rzeczy, na przykład leki - mówi uczony. Już od końca lat 60. prowadzi się badania nad fotochemiczną degradacją zanieczyszczeń. W IChF PAN badane są fotokatalizatory oraz takie warunki reakcji, by mogła ona przebiegać bez udziału specjalistycznej aparatury i samoczynnie zatrzymywała się na wybranym etapie. Dzięki fotokatalizatorom zawierającym dwutlenek tytanu uczeni uzyskali już z zanieczyszczonej wody np. kwasy karboksylowe używane w farmacji i przemyśle spożywczym. Możliwy jest też rozkład biomasy do najprostszych substancji, np. wodoru czy dwutlenku węgla. W warunkach laboratoryjnych reakcje biomasy z udziałem fotokatalizatorów już teraz wyglądają obiecująco. W tym roku przystąpimy do pierwszych testów w pilotażowych fotoreaktorach biochemicznych Uniwersytetu w Kordobie w Hiszpanii. Reakcje będą tam przebiegały w cieczach o objętościach liczonych w dziesiątkach litrów - mówi Colmenares. Reakcje, nad którymi pracuje Hiszpan, zachodzą przy zwykłym ciśnieniu atmosferycznym, dobrym nasłonecznieniu i przy temperaturze około 30 stopni Celsjusza. Takie warunki wystepują naturalnie w wielu krajach na całym świecie.

Materiał opracowany w Oak Ridge National Laboratory może posłużyć do stworzenia bardziej pojemnych i bezpiecznych baterii, które będzie można ładować szybciej niż obecne baterie litowo-jonowe. Zespół pracujący pod kierunkiem Hansana Liu, Gilberta Browna i Paransa Paranthamana odkrył, że dzięki tlenkowi tytanu można zwiększyć pojemność baterii litowo-jonowych, a przy okazji skrócić czas ich ładowania. W ciągu sześciu minut możemy załadować baterie do połowy pojemności, podczas gdy tradycyjne urządzenie załaduje się w tym czasie do 10% pojemności - mówi Liu. Stop z ORNL jest też bardziej pojemny niż obecnie wykorzystywany tytanat litu. Pozwala bowiem na przechowanie 256, a nie jak dotychczas 165, miliamperogodzin na gram. Ponadto tlenki są bardzo bezpieczne i trwałe w użytkowaniu, co czyni nowy materiał świetnym rozwiązaniem np. dla pojazdów elektrycznych. Głównym składnikiem materiału jest nowa architektura dwutlenku tytanu, znana jako mezoporowe mikrosfery TiO2-B, która składa się z mikrokanalików i porów pozwalających na swobodny przepływ jonów, co umożliwia szybkie ładowanie i rozładowywanie baterii. Tlenek tytanu został tutaj wzbogacony polimorficznym brązem. Jak twierdzi Liu, nowy materiał może być tani i nadaje się do produkcji przy użyciu współcześnie wykorzystywanych technik.

Dwutlenek tytanu to jeden z „cudownych" materiałów współczesnej technologii. Przydaje się w roli katalizatora w wielu procesach chemicznych, stosowany jest także jako środek antybakteryjny i domieszkowany do farb, czy nawet w „cudownych" szczoteczkach do zębów, nie wymagających pasty. Jednym z ciekawszych zastosowań jest jego zdolność do neutralizowania szkodliwych tlenków azotu, na przykład emitowanych przez samochody. Naukowcy z Uniwersytetu w Eindhoven odkryli, jak domieszkować dwutlenek tytanu (TiO2) do betonu, uzyskując drogi które same neutralizują niemal połowę spalin samochodowych. Beton nasz powszedni Te same wątpliwości dotyczą innych nanocząstek, jakie bada doktor Anil Kumar Suresh wraz ze współpracownikami z Biological and Nanoscale Systems Group w amerykańskim Oak Ridge National Laboratory. Na podobnych zasadach stosuje się bowiem nanocząstki złota (Ag), tlenku cynku (ZnO) i dwutlenku ceru (CeO2). Dr Suresh tłumaczy, że szkodliwość nanocząstek jest trudna do określenia, zależy bowiem od bardzo wielu czynników: rozmiaru, kształtu, technologii produkcji i zastosowanych chemikaliów, związków chemicznych, które mogą pozostawać na ich powierzchni. Oszacowanie szkodliwości materiału pochodzącego od jednego producenta nic nam nie mówi o właściwościach formalnie takiego samego materiału, ale pochodzącego z innej firmy. Producenci tymczasem nie udzielają informacji o przeznaczeniu produktów, sposobach produkcji, czy transportu. W przypadku dwutlenku tytanu większość rodzajów nanocząsteczek jest szkodliwa, z wyjątkiem tych wytwarzanych metodami biologicznymi (przez grzyby lub bakterie, które prawdopodobnie pokrywają nanocząstki ochronnymi proteinami). Jednak wszystkie komercyjnie dostępne nanocząstki TiO2 produkowane są metodami chemicznymi. Co więcej, promieniowanie radiowe zwiększa ich szkodliwość nawet od dwudziestu do czterdziestu razy. Tymczasem domieszkowanie materiałów dwutlenkiem tytanu i innymi katalizatorami jest coraz bardziej powszechne, a nie ma właściwie żadnych badań nad długotrwałymi efektami ich stosowania. Nawet biorąc za dobrą monetę zapewnienia producenta, że mikrocząstki TiO2 nie mogą uwolnić się z materiału, pozostaje zbyt wiele niewiadomych. A tymczasem może się okazać, że długofalowe efekty okażą się brzemienne w skutki, jak to ostatnio dzieje się z ponoć „całkowicie bezpiecznym" Bisfenolem A.

Elektryczną szczoteczkę do zębów każdy już widział, wielu używało. Informacja o szczoteczce do zębów na baterie słoneczne nie wzbudzi też już wielkiego zainteresowania, chyba że usłyszymy, że taka szczoteczka nie potrzebuje pasty do zębów ani żadnego środka czyszczącego. Co, proszę, jak to ma niby działać? Pomysł rodem z kreskówki Jetsonowie nie jest jednak żartem. Dr Kunio Komiyama, stomatolog i profesor emeritus na kanadyjskim University of Saskatchewan oraz jego kolega z uczelni, Gerry Uswak, opracowali szczoteczkę czyszczącą zęby na zasadzie chemicznej reakcji, nazwanej dezynfekcją fotokatalityczną. Pierwszy prototyp, oparty na reakcji dwutlenku tytanu na światło, powstał już piętnaście lat temu, nowa wersja nazwana Soladey-J3X, ma być dwukrotnie efektywniejsza. Szczoteczka wygląda całkiem zwyczajnie, poza niewielkim ogniwem słonecznym w rączce, któremu wystarcza niewielka ilość światła, porównywalna do tej, która zasila małe kalkulatory. Wyłapywane przez ogniwo elektrony płyną przewodem do główki, gdzie w ustach zachodzi reakcja z kwasami zawartymi w ślinie. Reakcja rozbija płytkę kamienia nazębnego oraz zabija bakterie, między innymi te powodujące choroby przyzębia. Testy laboratoryjne potwierdziły skuteczność eliminowania dwóch gatunków bakterii. W tej chwili trwają testy porównujące skuteczność Soladey-J3X z tradycyjną pastą do zębów, ale do komercyjnej produkcji wynalazku szykuje już się pierwsza firma - japoński koncern Shiken.

Poprawienie jakości powietrza w miastach może być znacznie prostsze niż sądzimy. Holenderscy uczeni udowodnili, że pochodzący z samochodowych spalin tlenek azotu można łatwo zneutralizować. Naukowcy z Uniwersytetu w Eindhoven wiedzą jak wyłapać nawet 45% tego gazu. Okazuje się, że wystarczy do betonu na drogach dodać dwutlenek tytanu. Przeprowadzone w laboratorium testy powtórzone zostały na prawdziwej drodze o powierzchni 1000 metrów kwadratowych. Pomiarów dokonywano na wysokości 1 oraz 1,5 metra ponad powierzchnią drogi. Okazało się, że dodanie dwutlenku tytanu powoduje, że do powietrza trafia od 25 do 45 procent mniej tlenków azotu. Gaz ten, po kontakcie z dwutlenkiem tytanu, jest zamieniany przy udziale światła słonecznego w nieszkodliwe azotany, które są później spłukiwane przez deszcz. Co więcej, obecność azotanów ułatwia spłukiwanie brudu. Wmieszanie dwutlenku tytanu do betonu powoduje, że materiał ten drożeje o 50%, jednak całkowity koszt budowy drogi wzrasta jedynie o 10%. Dodawanie dwutlenku tytanu do cementu nie jest nowym pomysłem. Od 2007 roku włoska firma Italcementi oferuje cement TX Active, który neutralizuje związki siarki i azotu. Profesor Jos Brouwers, który prowadził badania wspomniane badania zapewnia, że dwutlenek tytanu można również mieszać z asfaltem i uzyskamy podobne efekty jak w przypadku cementu. Materiały budowlane z dodatkiem dwutlenku tytanu mogłyby posłużyć do konstruowania budynków, które będą oczyszczały powietrze, a jednocześnie samodzielnie znacznie łatwiej utrzymają czystość.

Brytyjscy naukowcy opracowali nanofarbę, która po włączeniu ultrafioletu może zabijać lekooporne superbakterie. To doskonałe rozwiązanie dla szpitali, bo w łatwy i tani sposób można by się pozbyć niechcianych gości. Farba zawiera mikrocząsteczki tlenku tytanu (IV), dawniej nazywanego dwutlenkiem tytanu. To on jest śnieżnobiałym pigmentem (bielą tytanową), stosowanym do produkcji farb, emalii, papieru, a nawet kosmetyków. Często stykają się z nim także miłośnicy tenisa, ponieważ po sproszkowaniu wytycza się nim linie na korcie. TiO2 może zabijać bakterie, ponieważ charakteryzuje się wysoką absorpcją w zakresie promieniowania ultrafioletowego. Powstają wtedy aktywne cząsteczki, oczyszczające pomalowane powierzchnie. Byłoby najlepiej, gdyby dwutlenek tytanu wykazywał właściwości antybakteryjne przy promieniowaniu o długości fali spotykanej w pomieszczeniach [...] – wyjaśnia Lucia Caballero z Manchester Metropolitan University. Naukowcy przyglądali się przeżywalności E.coli w przypadku farb przygotowanych w oparciu o różną recepturę, które naświetlano promieniami o rozmaitej długości i natężeniu. Caballero zaznacza, że najlepsze rezultaty uzyskano, gdy stężenie nanocząsteczek tlenku tytanu (IV) było wyższe niż w stosowanych dotąd farbach (normalnie jego zawartość waha się w granicach 20-30%). Brytyjczycy rozpoczęli eksperymenty od farb z wysoką zawartością dwutlenku tytanu (do 80%), które pozbawiono wszelkich dodatków. Potem analizowali skuteczność farb z mniejszym stężeniem TiO2 i większą zawartością wypełniaczy. Pospolite dodatki do farb, takie jak węglan wapnia, krzemionka czy talk, pogarszają właściwości antybakteryjne nanofarby. W obecności węglanu wapnia spadają one nawet o 80%. Nasze testy farb komercyjnych wykazały, że ich zdolność do dezaktywacji patogenów była silnie zmniejszona w porównaniu do receptury pozbawionej takich składników. Caballero przypuszcza, że wypełniacze nie dopuszczają do pobudzenia niektórych cząsteczek dwutlenku przez promieniowanie UV. Nowa farba ma też jedną sporą wadę. Nie odróżnia bakterii od innych substancji. Atakuje patogeny, ale rozkłada również akrylowy emulgator. Obecnie Brytyjczycy pracują nad rozwiązaniem tego problemu. Podobne pokrycie powierzchni przyda się nie tylko w szpitalach, ale i w domowych łazienkach, przedszkolach i świetlicach, a także w różnych przybytkach użyteczności publicznej, np. szaletach. Skażenie postępowałoby wolniej, a koszty utrzymania higieny znacznie by spadły. Po raz pierwszy opisano właściwości bakteriobójcze TiO2 w 1985 roku. Wtedy to Tadashi Matsunaga z tokijskiego University of Agriculture and Technology zauważył, że mikroby umierają po zetknięciu z kompozytem dwutlenku tytanu i platyny. Potem biolodzy zauważyli, że promieniowanie UV wzbudza elektrony na powierzchni cząsteczek TiO2 i zapoczątkowuje reakcję z cząsteczkami wody. W efekcie powstaje mieszanina grup hydrokyslowych (-OH) i jonów ponadtlenkowych (O2-), niszcząca błony komórkowe organizmów.

Gdy tylko pada słowo "nanotechnologia", zaraz wyobrażamy sobie ultranowoczesne urządzenia elektroniczne, mikroskopijne mechanizmy oraz gadżety rodem z wysokobudżetowych filmów fantastycznych. Rzeczywistość potrafi być jednak dużo bardziej prozaiczna. Dzięki dodatkowi "nano" możemy mieć na przykład... czystszą odzież. Efektem pracy naukowców z Austalii oraz Chin są samoczyszczące odmiany wełny i jedwabiu. Wbrew szumnej nazwie, materiały te nie zostały wzbogacone o nanomechanizmy, lecz specjalny rodzaj impregnatu, bazujący na dwutlenku tytanu (w postaci anatazu), stosowany m.in. w niektórych typach szyb okiennych. Podobnie, jak w wypadku szyb, cząstki tej substancji, mierzące zaledwie 5 nm, rozkładają związki organiczne pod wpływem światła słonecznego. Dzięki tej właściwości, ubrania wykonane z "nanotkaniny" będą łatwe do wyprania i raczej nieprędko nasiąkną nieprzyjemnym zapachem. Oprócz mniejszego zużycia środków czyszczących, pozwolą one także podnieść poziom higieny, są bowiem bakteriobójcze, podczas gdy w zwykłych tkaninach mikroby potrafią przetrwać nawet trzy miesiące. W ramach prób na opisywanym materiale zabrudzono go czerwonym winem. Po 20-godzinnym naświetlaniu plamy niemal zupełnie zniknęły. Dodatkowymi zaletami impregnatu są nietoksyczność, brak wpływu na fakturę tkaniny oraz możliwość trwałego przymocowania go do włókien. Najwięcej kłopotu sprawiła naukowcom ostatnia właściwość. Udało się ją uzyskać przez odpowiednie "aktywowanie" zawartej we włóknach keratyny. Pytani o możliwość wprowadzenia nowych tkanin na rynek, badacze ostrożnie odpowiadają, że stanie się to dopiero wtedy, gdy nowa technologia zostanie przyjęta zarówno pod względem technicznym, jak i ekonomicznym.