Nanocząstki miedzi

Nanocząstki miedzi – cząstki miedzi o wymiarach „nano”, tj. zawierających się w zakresie od 1 do 100 nm^[1]. Powstają w wyniku procesów naturalnych lub w wyniku syntezy chemicznej^[2]. Znaczenie nanocząstek miedzi wynika z ich historycznego zastosowania jako barwnika i współczesnego stosowania w biomedycynie.

Historia

Obecność nanocząstek miedzi stwierdzono już w wyrobach z czasów starożytnych. We Włoszech odnaleziono fragmenty szkła pochodzące z późnej epoki brązu, które zabarwione są na czerwono dzięki nanocząstkom miedzi. Podobne przykłady barwienia szkła odnotowano również w Starożytnym Rzymie. Nanocząstki miedzi odnaleziono również w czerwonej celtyckiej emalii z 400–100 r. p.n.e. Dekoracyjne zastosowanie nanocząstek miedzi zaobserwowano również w Mezopotamii, gdzie uzyskiwano dzięki nim lśniącą emalię na ceramicznych przedmiotach. W XIX-wiecznej Japonii nanocząstki miedzi nadawały czerwoną barwę szkłu Satsuma^[1].

Wytwarzanie

Synteza nanocząstek miedzi nie jest łatwa, ponieważ silnie rozdrobniona miedź bardzo szybko ulega utlenianiu. Stawia ją to w opozycji do nanocząstek złota i srebra, które nie wchodzą w reakcję z tlenem z taką łatwością^[3]. Tworzenie się tlenku miedzi na powierzchni nanocząstek zmniejsza ich konduktywność, przez co jest to zjawisko niepożądane. W celu zapobiegania utleniania nanocząstek, procesy syntezy prowadzi się w środowisku bezwodnym i w atmosferze obojętnej (np. argonu lub azotu). Metody syntezy nanocząstek miedzi można podzielić na fizyczne i chemiczne. Te pierwsze są bardzo skomplikowane i wymagają wyrafinowanego sprzętu i technologii. Metody chemiczne są znacznie chętniej stosowane, ponieważ są prostsze do przeprowadzenia i zapewniają wysoką jakość produktu^[4]. Poniżej opisano kilka metod chemicznych otrzymywania nanocząstek miedzi.

Redukcja chemiczna

Olbrzymią zaletą tej metody jest możliwość kontroli wzrostu i morfologii nanocząstek poprzez odpowiednie dostosowanie warunków reakcji. Proces polega na zredukowaniu soli miedzi odpowiednim reduktorem (np. hydrazyna, borowodorek sodu, kwas askorbinowy, poliole). Proces można prowadzić w obojętnej atmosferze, w celu ograniczenia utleniania nanocząstek miedzi^[4].

Mikroemulsje

Metoda polega na utworzeniu emulsji składającej się z prekursorów miedzi, reduktora (podobnie jak w metodzie redukcji chemicznej) oraz surfaktantu, zapewniającego utworzenie stabilnej emulsji. Na parametry otrzymanych nanocząstek mają wpływ czynniki warunkujące stabilność emulsji. Należą do nich: rodzaj i ilość surfaktantu, stężenie prekursora, rodzaj fazy olejowej oraz stosunek fazy wodnej do olejowej^[4].

Dysocjacja termiczna

Proces wymagający odpowiedniego urządzenia (np. autoklawu), które umożliwia prowadzenie procesu w podwyższonej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem. Warunki te mają ułatwić interakcję prekursorów podczas procesu. Rozpuszczalnikiem stosowanym w tej metodzie może być woda. Proces umożliwia uzyskanie różnej geometrii produktu, m.in. cienkich filmów, proszków, pojedynczych kryształów i nanokryształów^[4].

Synteza elektrochemiczna

Szeroko stosowana metoda syntezy, głównie przez swoją prostotę, dostępność aparatury, mniejsze zanieczyszczenie i przyjazność dla środowiska naturalnego. Metoda pozwala uzyskać warstwy metali (lub stopów) lub skomplikowane obiekty z roztworów prekursora, dzięki zmianie jego stopnia utlenienia poprzez działanie prądu elektrycznego. Proces przebiega w temperaturze pokojowej i pozwala na dobrą kontrolę grubości i morfologii uzyskanej warstwy^[4].

Właściwości

Antybakteryjne

Nanocząstki miedzi wykazują działanie antybakteryjne i przeciwgrzybicze^[5]. Jest ono słabsze niż w przypadku nanocząstek srebra czy tlenku cynku, co powoduje konieczność stosowania większych stężeń. Cena nanocząstek miedzi jest jednak niższa niż nanocząstek metali szlachetnych^[6].

Optyczne

Nanocząstki miedzi wykazują zjawisko powierzchniowego rezonansu plazmonowego (SPR)^[7].

Przewodność elektryczna i cieplna

Miedź w formie nanocząstek, podobnie jak miedź lita, wykazuje bardzo dobre przewodnictwo elektryczne i cieplne. Sprawia to, że chętnie stosuje się je jako przewodniki ciepła albo w procesie inkjet printingu^[8].

Zastosowanie

Przewodniki i wymienniki ciepła

Z powodu bardzo dobrego przewodnictwa elektrycznego nanocząstki miedzi stosowane są jako przewodniki. Dobra przewodność cieplna sprawia, że mogą być stosowane jako dodatek do płynów stosowanych w wymiennikach ciepła^[9].

Panele słoneczne

Nanocząstki miedzi, podobnie do złota czy srebra, wykazują zjawisko powierzchniowego rezonansu plazmonowego (SPR), co może znajdować zastosowanie w panelach słonecznych, w celu poprawienia ich wydajności, choć ze względu na większą trwałość, do tego celu wykorzystuje się częściej nanocząstki złota i srebra^[4].

Dezynfekcja

Dzięki swoim właściwościom antybakteryjnym i antygrzybicznym, nanocząstki miedzi wykorzystuje się do zabezpieczenia powierzchni w miejscach publicznych i szpitalach przed drobnoustrojami. Nanocząstkami miedzi można pokryć armaturę, artykuły kuchenne, wyposażenie szpitali, zabawki i wiele innych przedmiotów, które mogą być potencjalnym nośnikiem patogenów^[5].

Oczyszczanie wód

Wśród możliwych zastosowań nanocząstek miedzi można wymienić stosowanie ich jako adsorbentu szkodliwych substancji z wód naturalnych. Zdolność nanocząstek miedzi do adsorpcji ketoprofenu z roztworów wodnych pozwala przypuszczać, że znajdą one zastosowanie jako ekologiczne i ekonomiczne środki oczyszczania wód^[10].

Przypisy

1 2 JaisonJ. Jeevanandam JaisonJ., AhmedA. Barhoum AhmedA., Yen S.Y.S. Chan Yen S.Y.S., AlainA. Dufresne AlainA., Michael K.M.K. Danquash Michael K.M.K., Review on nanoparticles and nanostructured materials: history, sources, toxicity and regulations, „Beilstein J. Nanotechnol.”, 9, 2018, s. 1050–1074, DOI: 10.3762/bjnano.9.98, PMID: 29719757, PMCID: PMC5905289 .
↑ Florian J.F.J. Heiligtag Florian J.F.J., MarkusM. Niederberger MarkusM., The fascinating world of nanoparticle research, „Materials Today”, 16 (7–8), 2013, s. 262–271, DOI: 10.1016/j.mattod.2013.07.004 [dostęp 2020-12-21] (ang.).
↑ SunhoS. Jeong SunhoS., KyooheeK. Woo KyooheeK., DongjoD. Kim DongjoD., SoonkwonS. Lim SoonkwonS., Jang SubJ.S. Kim Jang SubJ.S., Controlling the Thickness of the Surface Oxide Layer on Cu Nanoparticles for the Fabrication of Conductive Structures by Ink-Jet Printing, „Advanced Functional Materials”, 18 (5), 2008, s. 679–686, DOI: 10.1002/adfm.200700902, ISSN 1616-3028 [dostęp 2020-12-20] (ang.).
1 2 3 4 5 6 FarhanaF. Parveen FarhanaF., BasavarajaB. Sannakki BasavarajaB., Mohanrao V.M.V. Mandke Mohanrao V.M.V., Habib M.H.M. Pathan Habib M.H.M., Copper nanoparticles: Synthesis methods and its light harvesting performance, „Solar Energy Materials and Solar Cells”, 144, 2016, s. 371–382, DOI: 10.1016/j.solmat.2015.08.033 (ang.).
1 2 AntonioA. Esteban-Cubillo AntonioA., CarlosC. Pecharromán CarlosC., EduardoE. Aguilar EduardoE., JulioJ. Santarén JulioJ., José S.J.S. Moya José S.J.S., Antibacterial activity of copper monodispersed nanoparticles into sepiolite, „Journal of Materials Science”, 41 (16), 2006, s. 5208–5212, DOI: 10.1007/s10853-006-0432-x, ISSN 1573-4803 [dostęp 2020-12-21] (ang.).
↑ Mostafa F.M.F. Al-Hakkani Mostafa F.M.F., Biogenic copper nanoparticles and their applications: A review, „SN Applied Sciences”, 2 (3), 2020, s. 505, DOI: 10.1007/s42452-020-2279-1, ISSN 2523-3971 [dostęp 2020-12-20] (ang.).
↑ YounanY. Xia YounanY., Naomi J.N.J. Halas Naomi J.N.J., Shape-Controlled Synthesis and Surface Plasmonic Properties of Metallic Nanostructures, „MRS Bulletin”, 30 (5), 2005, s. 338–348, DOI: 10.1557/mrs2005.96, ISSN 1938-1425 [dostęp 2020-12-21] (ang.).
↑ A.A. Tamilvanan A.A., K.K. Balamurugan K.K., K.K. Ponappa K.K., B. MadhanB.M. Kumar B. MadhanB.M., Copper Nanoparticles: Synthetic Strategies, Properties and Multifunctional Application, „International Journal of Nanoscience”, 13 (02), 2014, s. 1430001, DOI: 10.1142/S0219581X14300016, ISSN 0219-581X [dostęp 2020-12-21] .
↑ J.A.J.A. Eastman J.A.J.A., S.U.S.S.U.S. Choi S.U.S.S.U.S., S.S. Li S.S., W.W. Yu W.W., L.J.L.J. Thompson L.J.L.J., Anomalously increased effective thermal conductivities of ethylene glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles, „Applied Physics Letters”, 78 (6), 2001, s. 718–720, DOI: 10.1063/1.1341218, ISSN 0003-6951 [dostęp 2020-12-21] .
↑ Zeid A.Z.A. ALOthman Zeid A.Z.A., Ahmad YacineA.Y. Badjah Ahmad YacineA.Y., Osamah M.O.M. Alduhaish Osamah M.O.M., KarthikK. Rathinam KarthikK., StefanS. Panglisch StefanS., Synthesis, characterization, kinetics and modeling studies of new generation pollutant ketoprofen removal in water using copper nanoparticles, „Journal of Molecular Liquids”, 2020, s. 115075, DOI: 10.1016/j.molliq.2020.115075, ISSN 0167-7322 [dostęp 2020-12-21] (ang.).

[:0-1] 1 2 JaisonJ. Jeevanandam JaisonJ., AhmedA. Barhoum AhmedA., Yen S.Y.S. Chan Yen S.Y.S., AlainA. Dufresne AlainA., Michael K.M.K. Danquash Michael K.M.K., Review on nanoparticles and nanostructured materials: history, sources, toxicity and regulations, „Beilstein J. Nanotechnol.”, 9, 2018, s. 1050–1074, DOI: 10.3762/bjnano.9.98, PMID: 29719757, PMCID: PMC5905289 .

[2] Florian J.F.J. Heiligtag Florian J.F.J., MarkusM. Niederberger MarkusM., The fascinating world of nanoparticle research, „Materials Today”, 16 (7–8), 2013, s. 262–271, DOI: 10.1016/j.mattod.2013.07.004 [dostęp 2020-12-21] (ang.).

[3] SunhoS. Jeong SunhoS., KyooheeK. Woo KyooheeK., DongjoD. Kim DongjoD., SoonkwonS. Lim SoonkwonS., Jang SubJ.S. Kim Jang SubJ.S., Controlling the Thickness of the Surface Oxide Layer on Cu Nanoparticles for the Fabrication of Conductive Structures by Ink-Jet Printing, „Advanced Functional Materials”, 18 (5), 2008, s. 679–686, DOI: 10.1002/adfm.200700902, ISSN 1616-3028 [dostęp 2020-12-20] (ang.).

[:1-4] 1 2 3 4 5 6 FarhanaF. Parveen FarhanaF., BasavarajaB. Sannakki BasavarajaB., Mohanrao V.M.V. Mandke Mohanrao V.M.V., Habib M.H.M. Pathan Habib M.H.M., Copper nanoparticles: Synthesis methods and its light harvesting performance, „Solar Energy Materials and Solar Cells”, 144, 2016, s. 371–382, DOI: 10.1016/j.solmat.2015.08.033 (ang.).

[:2-5] 1 2 AntonioA. Esteban-Cubillo AntonioA., CarlosC. Pecharromán CarlosC., EduardoE. Aguilar EduardoE., JulioJ. Santarén JulioJ., José S.J.S. Moya José S.J.S., Antibacterial activity of copper monodispersed nanoparticles into sepiolite, „Journal of Materials Science”, 41 (16), 2006, s. 5208–5212, DOI: 10.1007/s10853-006-0432-x, ISSN 1573-4803 [dostęp 2020-12-21] (ang.).

[6] Mostafa F.M.F. Al-Hakkani Mostafa F.M.F., Biogenic copper nanoparticles and their applications: A review, „SN Applied Sciences”, 2 (3), 2020, s. 505, DOI: 10.1007/s42452-020-2279-1, ISSN 2523-3971 [dostęp 2020-12-20] (ang.).

[7] YounanY. Xia YounanY., Naomi J.N.J. Halas Naomi J.N.J., Shape-Controlled Synthesis and Surface Plasmonic Properties of Metallic Nanostructures, „MRS Bulletin”, 30 (5), 2005, s. 338–348, DOI: 10.1557/mrs2005.96, ISSN 1938-1425 [dostęp 2020-12-21] (ang.).

[8] A.A. Tamilvanan A.A., K.K. Balamurugan K.K., K.K. Ponappa K.K., B. MadhanB.M. Kumar B. MadhanB.M., Copper Nanoparticles: Synthetic Strategies, Properties and Multifunctional Application, „International Journal of Nanoscience”, 13 (02), 2014, s. 1430001, DOI: 10.1142/S0219581X14300016, ISSN 0219-581X [dostęp 2020-12-21] .

[9] J.A.J.A. Eastman J.A.J.A., S.U.S.S.U.S. Choi S.U.S.S.U.S., S.S. Li S.S., W.W. Yu W.W., L.J.L.J. Thompson L.J.L.J., Anomalously increased effective thermal conductivities of ethylene glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles, „Applied Physics Letters”, 78 (6), 2001, s. 718–720, DOI: 10.1063/1.1341218, ISSN 0003-6951 [dostęp 2020-12-21] .

[10] Zeid A.Z.A. ALOthman Zeid A.Z.A., Ahmad YacineA.Y. Badjah Ahmad YacineA.Y., Osamah M.O.M. Alduhaish Osamah M.O.M., KarthikK. Rathinam KarthikK., StefanS. Panglisch StefanS., Synthesis, characterization, kinetics and modeling studies of new generation pollutant ketoprofen removal in water using copper nanoparticles, „Journal of Molecular Liquids”, 2020, s. 115075, DOI: 10.1016/j.molliq.2020.115075, ISSN 0167-7322 [dostęp 2020-12-21] (ang.).

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]