Jak negocjować z grafenem?
Jednym z materiałów, który od kilkunastu lat cieszy się ogromnym zainteresowaniem naukowców, jest grafen. Zespół dr. hab. prof. UŚ Rafała Sitko z Instytutu Chemii włączył się w ogólnoświatową dyskusję na temat możliwości wykorzystania nowo odkrytej struktury, badając sposoby wykorzystania grafenu i tlenku grafenu w chemii analitycznej.
– Chemia analityczna jest dziedziną usługową. Do naszego laboratorium zgłaszają się naukowcy i przedsiębiorcy, którzy proszą o zbadanie jakościowego i ilościowego składu chemicznego najróżniejszych substancji. Badamy wszystko, możemy podać skład zanieczyszczonej wody, skał czy różnych materiałów technologicznych – wyjaśnia prof. Rafał Sitko, kierownik uniwersyteckiej Pracowni Analitycznych Metod Spektroskopowych. – Innymi słowy, chemicy analitycy sprawdzają, jaka jest zawartość związków organicznych albo jonów metali w dowolnym materiale zarówno pod kątem jakościowym, jak i ilościowym, przy czym nasz zespół specjalizuje się w określaniu zawartości i stężenia jonów metali.
Istnieje wiele efektywnych metod analizowania składu materiałów i substancji, ale głębsze poznawanie fizykochemicznych praw rządzących naszą rzeczywistością pociąga za sobą konieczność oznaczania składu substancji na coraz niższych poziomach stężeń, wymagając jednocześnie precyzji i dokładności – jeden interesujący badaczy atom może się znajdować pośród miliarda innych cząstek i trzeba go wykryć.
Prof. Sitko podkreśla, że członkowie jego zespołu znają doskonale ograniczenia stosowanych w analityce technik oraz możliwości wykorzystania atomowej spektrometrii emisyjnej, absorpcyjnej czy spektrometrii rentgenowskiej, wiedzą też, którą technikę mogą skutecznie zastosować do badania składu poszczególnych materiałów. Zadania wykonywane przez zespół prof. Sitko nie sprowadzają się zatem tylko do wykonywania zleceń analizy składu różnych substancji. Jeden z projektów badawczych NCN zrealizowany w latach 2013–2015 dotyczył badania grafenu, tlenków i ich pochodnych w nowych metodach stosowanych w chemii analitycznej.
Jednym ze sposobów radzenia sobie z trudnościami jest próba wyizolowania z badanego materiału jonów pierwiastka, który mamy oznaczyć. Są to tak zwane metody rozdzielania, np. ekstrakcja do fazy stałej, czyli adsorpcja metali z roztworu wodnego. Aby można było wyizolować interesujący naukowców pierwiastek, potrzebna jest specjalna substancja zwana adsorbentem, mająca zdolność powierzchniowego wiązania cząsteczek czy jonów.
Klasycznymi adsorbentami są krzemionka czy węgiel aktywny. Badany roztwór zazwyczaj przepuszczany jest przez kolumienki wypełnione adsorbentem. Interesujące jony są adsorbowane, a następnie wymywane i oznaczane.
– Oczywiście lista związków wykorzystywanych jako adsorbenty nie została zamknięta, a pojawienie się grafenu w świecie nauki pociągnęło za sobą naturalne pytanie, czy struktura ta mogłaby zostać wykorzystana w chemii analitycznej – mówi kierownik pracowni.
Pierwsze badania przyniosły zaskakująco pozytywne rezultaty ze względu na świetne właściwości adsorpcyjne grafenu i tlenku grafenu. Udało się wykazać, że pojemność adsorpcyjna tych nanomateriałów jest znacznie większa od właściwości wszystkich znanych chemikom substancji wykorzystywanych do izolowania jonów metali: 1 gram tlenku grafenu był w stanie związać więcej niż 1 gram jonów ołowiu. Dla porównania: badane pod tym kątem nanorurki węglowe miały zdolność wiązania „zaledwie” kilkunastu czy kilkudziesięciu miligramów tych samych jonów.
Prowadzone w ramach projektu badania szybko jednak wykazały trudności w wykorzystaniu grafenu i tlenku grafenu jako adsorbentów w chemii analitycznej. Prostego rozwiązania dostarczali autorzy publikacji w czasopismach naukowych, sugerujący możliwość chemicznego zakotwiczenia płatków grafenu w większych cząstkach. Zespół prof. Sitko wykorzystał do tego celu sferyczne cząstki krzemionki, które pokryto widocznymi na zdjęciu „welonami” tlenku grafenu. One zachowywały się trochę jak wodorosty w wodzie, świetnie wychwytujące wszystkie jony metali. Kolejnym wyzwaniem okazała się selektywność, będąca jedną z cech charakteryzujących skuteczną metodę badawczą. Dobrze zaprojektowany adsorbent nie wychwytuje wszystkich jonów metali, lecz powinien także dać się tak zmodyfikować, by ukierunkować swoje „preferencje” na konkretną grupę jonów czy nawet na pojedynczy jon metali. Jak jednak „przekonać” grafen, by nie wiązał wszystkiego po kolei?
– Aby lepiej zrozumieć budowę tych związków, musimy najpierw wyobrazić sobie strukturę płatków tlenku grafenu. Są to płaskie, przypominające plaster miodu skrawki składające się z węgla o grubości zaledwie jednego atomu. Na ich powierzchni znajdują się grupy hydroksylowe i karboksylowe i to właśnie one są odpowiedzialne za wyłapywanie większości jonów metali z roztworu. Wystarczy więc zmodyfikować powierzchnię grafenu np. poprzez wprowadzenie innych grup funkcyjnych, które pozwolą nam osiągnąć interesującą nas selektywność – mówi prof. Sitko.
Jednym z rodzajów modyfikacji wprowadzanych w ramach projektu była tak zwana silanizacja. Polega ona na wykorzystaniu związków krzemoorganicznych z grupą funkcyjną posiadającą wolną parę elektronową zdolną do wiązania określonych jonów metali. Jak wykazały badania, zastosowane grupy tiolowe zawierające siarkę wykazywały selektywną adsorpcję w stosunku do jonów toksycznego arsenu na III stopniu utlenienia. Z kolei grupy aminowe z azotem wykazywały selektywną adsorpcję w stosunku do jonów toksycznego ołowiu. Uzyskane wyniki okazały się sukcesem zespołu prof. Sitko, a efekty badań zostały opublikowane w prestiżowych czasopismach Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego „Analytical Chemistry” czy „ACS Applied Materials & Interfaces”. Obecnie prowadzone są badania nad modyfikacjami umożliwiającymi selektywną adsorpcję silnie toksycznych jonów chromu i selenu na VI stopniu utlenienia. Odpowiednia modyfikacja tlenku grafenu umożliwia więc nie tylko selektywną adsorpcję jonów metali, ale pozwala również rozróżnić ich formy, czyli przeprowadzić specjację. Warto podkreślić, że badania mają w dużej mierze charakter interdyscyplinarny, prowadzone są więc we współpracy m.in. z Instytutem Fizyki UŚ, Instytutem Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN we Wrocławiu oraz Uniwersytetem w Gironie.
Stworzone wspólnie metody opierające się na wykorzystaniu grafenu i tlenku grafenu jako adsorbentów przyniosły już teraz znakomite efekty w chemii analitycznej, a zespół kierowany przez prof. Sitko rozpoczął realizację kolejnego projektu badawczego NCN, który jest po części kontynuacją badań zakończonych w 2015 roku. W tej chwili interesują ich membrany oparte na grafenie.
Małgorzata Kłoskowicz
Pełna wersja artykułu „Jak negocjować z grafenem?” ukazała się drukiem w numerze 9 (239) „Gazety Uniwersyteckiej UŚ” (czerwiec 2016)
