Dr hab. Dawid Janas, chemik z Politechniki Śląskiej opracował metodę – szybszą i tańszą niż dotychczas stosowane na świecie – wybierania do badań nanorurek o konkretnych właściwościach. W wywiadzie dla serwisu Nauka w Polsce tłumaczy, dlaczego taka selekcja dotąd była kłopotliwa, jak to się dzieje, że nanorurki się ze sobą plączą i do czego można zastosować te maleńkie grafenowe ruloniki.

„Nanorurka jest zbudowana z węgla i pusta w środku. Powstaje poprzez zwinięcie płaszczyzny grafenu, jak kartki papieru, w maleńki rulon. Problem w tym, że taką kartkę papieru można zwinąć w rulony na wiele różnych sposobów pod różnym kątem. I wtedy nanorurki mają od siebie radykalnie różne właściwości” – mówi rozmówca PAP.

KOPCIUSZEK NIE DOTARŁBY NA BAL

Kiedy naukowcy syntezują, czyli „produkują” nanorurki w swoich piecach, otrzymują od 30 do 50 typów nanorurek w jednym materiale. Nanorurki są malutkie, ich średnica jest sto tysięcy razy mniejsza niż ludzki włos. I nie da się kontrolować produkcji w taki sposób, żeby powstały identyczne. Co najwyżej małą ilość tego materiału, owego czarnego proszku da się wyprodukować tak, aby połowa spełniała zadane warunki. To nie wystarczy. Dlatego trzeba je selekcjonować.

„Nanorurki widziane gołym okiem wyglądają jak czarna mąka – porównuje profesor PŚ. – Wyobraźmy sobie, że zmieszaliśmy ze sobą różne gatunki mąki, a jest ich przynajmniej 20. Mieszamy zatem w różnych proporcjach trochę tortowej, nieco tej do pizzy, więcej grahamu, mniej białej – analogicznie powstają nanorurki. Z takiej mieszaniny nawet kilku rodzajów mąki żaden wypiek by nam nie wyszedł. Tak jest i tu. Dlatego powstają metody, żeby dzielić te nanorurki na poszczególne typy”.

Jak tłumaczy dr hab. Janas, owo dzielenie jest trudne, bo czarny proszek jest jednorodny i nie można wydobyć potrzebnych nanorurek jakimiś nanoszczypcami. Ani – żartuje naukowiec – posadzić studenta, żeby oddzielał je w wolnym czasie, zamiast odwiedzać kluby, niczym Kopciuszek oddzielający mak od popiołu.

OD TRANZYSTORÓW PO OBRAZOWANIE NOWOTWORÓW

Konkretne rodzaje nanorurek mogą przydać się w wielu praktycznych zastosowaniach i są niezbędne w prowadzeniu badań podstawowych. Dr Janas podał przykład niektórych właściwości, jakich mogą poszukiwać badacze.

„Istnieją nanorurki metaliczne, które lepiej przewodzą prąd niż miedź. Inny typ nanorurek półprzewodnikowych jest pożądany przy budowie tranzystorów. Zatem badacz, który chce zbudować tranzystor o określonych parametrach, musi wybrać nanorurki półprzewodnikowe o konkretnym sposobie zwinięcia. Nawet delikatna różnica w sposobie zwinięcia powoduje różnice we właściwościach pojedynczych nanorurek” – mówi badacz.

Inne obiecujące, choć – jak zaznacza naukowiec – kontrowersyjne na razie zastosowanie nanorurek analizują uczeni ze Stanów Zjednoczonych. Jest ono związane z ich właściwościami optycznymi. Otóż jeśli podzielić nanorurki na różne typy, to będą one kolorowe – fioletowe, żółte, zielone – choć przecież zbudowane są z węgla. Stąd można z ich pomocą obrazować procesy zachodzące w żywym organizmie. Wyselekcjonowane typy nanorurek węglowych w roztworze są idealnymi kontrastami do obrazowania organów.

„W badaniach prowadzonych w klinice w Nowym Jorku roztwory nanorurek są wstrzykiwane do krwi szczurów, co pozwala oceniać stan choroby i funkcjonowanie organizmu. Z jednej strony może nas przerażać wprowadzanie nanocząstek do organizmu żywego. Ale - z drugiej - nie dość, że potrzeba dużo mniejszego stężenia żeby zobrazować wnętrze organu, to badania pokazały, że jest to mniej toksyczne niż obecnie stosowane substancje. W klinice nowotworowej nie ma dobrych rozwiązań do obrazowania wszystkich guzów. W tym przypadku cokolwiek jest ratunkiem dla chorych. Dodatkowo możliwe jest skierowanie nanorurek dla bardzo czułego obrazowania danej lokalizacji” – wylicza dr hab. Janas.

Jak zatem wyjąć potrzebne nanorurki z „czarnego proszku”?

POLSKA METODA SZYBSZA I NIEMAL DOMOWA

Metody dzielenia nanorurek wymagały dotąd bardzo drogiego sprzętu – wirówek lub urządzeń elektrycznych zdolnych wychwycić minimalne różnice w wielkości nanorurek i sposobie zwinięcia. Kosztowne są też stosowane odczynniki chemiczne, a proces oddzielania trzeba robić w wielu krokach, na przykład w kilkunastu etapach. To pokazuje, jak trudne byłoby to do zastosowania w przemyśle. Poza tym, jak wynika z doświadczenia dra Janasa, nie są to wydajne metody, bo w kolejnych krokach pozostaje bardzo niewiele materiału, na którym zależy badaczowi.

„Nasz pomysł bazuje na metodzie z 1885 r. opracowanej przez holenderskiego uczonego Martinusa Beijerincka. Kiedy wymieszał on ze sobą dwa roztwory wodne – agaru i żelatyny, bardzo się zdziwił, że tworzą one dwie osobne fazy. Analogicznie – jak rozlewamy olej na wodzie, one separują się od siebie. Od tamtej pory było to rozwijane przez biologów molekularnych, w ten sposób otrzymuje się enzymy, białka. Metodę tę także wykorzystuje się w farmaceutyce do oczyszczania substancji leczniczych” – mówi badacz.

Tę zdolność do tworzenia dwóch warstw w roztworze (tzw. system dwufazowy) można wykorzystać do podziału nanorurek węglowych. Odpowiednie odczynniki dodane do takiego układu powodują, że połowa nanorurek „idzie” do góry, a połowa do dołu. Później – w kolejnym kroku znów rozkładają się po równo w dole i w górze, aż po kilku krokach można uzyskać wybrany typ.

Dr Janas i członkowie jego grupy badawczej chcieli zoptymalizować ten wieloetapowy proces. Postawili sobie za cel, że nauczą się selekcjonować nanorurki w jednym kroku. Czyli – zamiast dzielić pół na pół – spowodować, że wszystkie pójdą do góry, a tylko jedna wybrana grupa - do dołu. Tak, żeby maksymalnie to uprościć, by móc zrobić ów eksperyment w „domowej kuchni”.

Ślązacy ustalili, że dolną fazę powinien stanowić wodny roztwór dekstranu (związku złożonego z cukrów), a na górze musi znaleźć się poli(glikol etylenowy). Dr hab. Janas postanowił wprowadzić jeszcze jeden związek chemiczny, który wpływa na „wędrówkę” nanorurek w roztworze. Chciał zmusić wybrany typ nanorurek, żeby wybrał określoną fazę, a całą resztę – aby porzuciła tego samotnika.

ŚMIERDZĄCY KLUCZ DO SUKCESU

„Okazało się, że kluczowym związkiem jest amoniak. Albo hydrazyna, której cząsteczka jest jakby dwoma połączonymi ze sobą cząsteczkami amoniaku. Dodaliśmy delikatną ilość 75 mikrolitrów amoniaku i uczyliśmy się sterować podziałem. Odpowiednie stężenie amoniaku powoduje, że umiemy dany typ nanorurek z tej grupy wyselekcjonować w jednym kroku. Wszystkie inne idą sobie do góry, a my możemy wyselekcjonować nasz pożądany typ” – deklaruje profesor.

Polscy naukowcy mogą zadawać sobie różne typy nanorurek do wyselekcjonowania, nawet te będące w mniejszości. Skutecznie udawało się uzyskiwać nawet taki typ, który stanowił zaledwie 6 proc. całej mieszaniny.

„To jest tak precyzyjny system, że pozwala oddzielić od siebie nanorurki, których średnice różnią się od siebie tylko o jedną dziesiątą nanometra – to jest właściwie promień atomu wodoru! Tak bardzo mała różnica! Okazuje się, że odpowiednie dopasowanie złożonego systemu odczynników pozwala nam tak precyzyjnie zadziałać, że ten nasz pożądany typ nanorurek znajduje się już tylko w jednej fazie” – mówi z dumą główny autor publikacji w Nature Scientific Report.

Dr hab. Janas „oczyma wyobraźni widzi”, że skoro da się tak bardzo zwiększyć precyzję podziału w przypadku nanorurek węglowych, to system ten mógłby pozwolić również na precyzyjne oczyszczanie leków - oszczędzając kilka kroków, co się przekłada na niższy koszt. To jedno z możliwych rozwinięć tej technologii w przyszłości.

Autorska metoda chemików z Politechniki Śląskiej spotkała się z zainteresowaniem uczonych w Japonii, w Chinach i w Stanach Zjednoczonych. Dr Janas nawiązał współpracę z narodowym laboratorium Los Alamos w USA, które zajmuje się badaniem właściwości optycznych nanorurek. Tamtejsi badacze, jak relacjonuje rozmówca PAP, wiążą duże nadzieje z usprawnieniem procedury selekcji nanorurek. Liczą na to, że otworzy ona możliwość zrozumienia świata nano szybciej i łatwiej, skoro wystarczy 5 związków chemicznych i blender.

Swoje badania dr hab. Janas potwierdził na najlepszym na świecie sprzęcie do badania nanorurek podczas ubiegłorocznego stażu w Japonii. Na razie polskie know-how jest użyteczne w badaniach podstawowych.

Publikacja znajduje się pod adresem: https://www.nature.com/articles/s41598-018-37675-4

PAP – Nauka w Polsce, Karolina Duszczyk

kol/ ekr/