Химики вырастили мицеллярные полимерные щетки на кремнии и графене
Химики вырастили на кремниевой пластинке и листе оксида графена полимерные щетки, расположив на поверхности кристаллы, которые вызывали рост нитей. В результате удалось регулировать плотность, длину и химические свойства мицеллярных щеток, а с помощью внедрения наночастиц ученые показали применимость наноструктур для катализа и создания антибактериальных покрытий. Статья опубликована в журнале Science.
Во многих областях (например, литографии, изучении супергидрофобности и клеточной адгезии) необходимо создавать на поверхности материалов наноструктуры с точно заданными химическими и физическими свойствами. Модифицировать твердые поверхности можно, наращивая на них вытянутые кристаллы из полимера, которые прикрепляются к ним и вместе образуют полимерные щетки. Синтезировать подобные структуры с точными характеристиками в большем масштабе, однако, бывает довольно сложно.
Цзяньдун Цай (Jiandong Cai) с коллегами из Шанхайского технологического университета синтезировали наноструктуру из сополимерных нитей на твердой поверхности кремния. Полимерные нити растили на кремниевой пластинке с силанольными группами, которые образовывали водородные связи с молекулами цилиндрических кристаллитов, способных с обеих сторон отращивать «волоски» из блоксополимера в растворе.
С помощью атомно-силового микроскопа авторы работы убедились, что кристаллиты распределены по поверхности достаточно равномерно. Затем кремниевую пластинку поместили в раствор полидиметилсилоксана, который стал кристаллизоваться, образуя слой наноскопических щеток. По изображениям атомно-силового микроскопа авторы определили, что длина полимерных столбиков примерно миллиметр, а в диаметре они оказались около 20 нанометров. Контрольные эксперименты подтвердили, что щетки образовывались благодаря наличию кристаллитов на кремниевой пластинке: без них полимер образовывал цилиндрические мицеллы в растворе и почти не прикреплялся к пластинке.
Регулируя плотность щеток в зависимости от концентрации кристаллитов на пластинке, авторам удалось синтезировать поверхности с разной гидрофобностью — с углом смачивания от 81 до 109 градусов. Добавив трифторуксусную кислоту, исследователи добились протонирования и образования положительного заряда на щетке, из-за чего она стала гидрофильной (угол смачивания — 26 градусов). Новый материал также удалось модифицировать наночастицами золота или серебра, из-за чего он стал обладать каталитическими и антибактериальными свойствами соответственно.
Ученым также удалось вырастить щетки и на поверхности листа оксида графена: они оставались стабильными несколько месяцев, а кристаллиты образовывали водородные связи с карбоксильными и гидроксильными группами на листе.
Авторам, таким образом, удалось продемонстрировать применимость полученной структуры в качестве антибактериальной мембраны и катализатора. По словам ученых, представленный метод модификации поверхностей также позволяет тонко регулировать некоторые ее химические и физические свойства, что может пригодиться во многих областях.
В природе наноструктуры формируют поверхности с уникальными свойствами — их ученые пытаются воссоздать в лаборатории. Позапрошлой осенью исследователи из США и Германии создали светопоглощающий материал, имитирующий микроструктуру крыльев черной бабочки, способный в два раза увеличивать эффективность материала для солнечных батарей.
Алина Кротова
Концентрация некоторых из них превышает максимальную для жилых помещений
Концентрация аценафтена, фенантрена, пирена и перфтороктановой кислоты в пыли, собранной внутри МКС, в разы превосходит максимальные значения этих веществ, установленные для жилых помещений в США. В то же время концентрация многих стойких органических загрязнителей укладывалась в безопасный диапазон, но многократно превосходит медианные значения. Такие выводы содержит исследование, опубликованное в журнале Environmental Science & Technology Letters. Космонавты на МКС находятся в замкнутом пространстве, и для обеспечения безопасных условий работы воздух внутри станции должен быть чистым. Но даже при дыхании люди выделяют углекислый газ, аммиак, ацетон, уксусную кислоту и некоторые другие метаболиты. Из-за воздействия на организм ионизирующего излучения, невесомости, шума, вибрации, пониженного и повышенного содержания кислорода в воздухе состав и концентрации таких метаболитов не равноценны тем, что присутствуют в воздухе земных помещений. Кроме того, различные газы в воздушную среду МКС может выделять доставляемое туда оборудование, а также системы корабля, если случается их разгерметизация. Ученые под руководством Стюарта Харрада (Stuart Harrad) из Бирмингемского университета исследовали пыль, собранную из воздушной среды МКС, на присутствие в ней стойких органических загрязнителей — полибромдифениловых эфиров, новых бромсодержащих антипиренов, гексабромциклододеканов, фосфатных эфиров, полихлорированных бифенилов, полифторалкильных соединений и полиароматических углеводородов. Концентрации почти всех стойких органических загрязнителей на МКС укладывались в диапазоны, известные для жилых помещений США. При этом у многих веществ, особенно из групп полибромдифениловых эфиров и полиароматических углеводородов, они превосходили медианные значения для таких помещений на порядки. Например, концентрация полибромдифенилового эфира BDE-99 в пыли на МКС составила 27000 нанограмм на грамм, а ее медианное значение для домашней пыли США — 580 нанограмм на грамм. Концентрации таких полиароматических углеводородов как аценафтен, фенантрен и пирен в разы превосходили не только медианные, но и максимальные значения, установленные для американских домов (930 против 25, 830 против 390 и 1600 против 300 нанограмм на грамм соответственно). Аналогичная ситуация наблюдалась и для перфтороктановой кислоты, концентрация которой в пыли на МКС составила 2600 нанограмм на грамм. Медианное значение концентрации этого вещества в домах США — 140 нанограмм на грамм, максимально известное — 1960 нанограмм на грамм. Авторы отметили, что впервые обнаружили стойкие органические загрязнители во внеземной среде. Их источники невозможно установить доподлинно, но предположительно их высокое содержание может быть связано с огнезащитной обработкой поверхностей, защитой хрупких грузов с помощью пенополиуретановой пены и гидроизоляционной обработкой против грибка. С учетом того, что используемые материалы оказались не слишком устойчивыми во внеземных условиях и в больших количествах попали в воздух обитаемых помещений, исследователи предлагают выбирать другие материалы для упаковки и защитной обработки оборудования. Для токсикологического контроля МКС важно исследовать не только ее внутреннюю воздушную среду, но и состояние внешней обшивки. Ученые выяснили, что космическая пыль, прилипающая к ней, является биохимически активной средой, и обнаружили в ней жизнеспособные микроорганизмы.