Nanostructures of soft matter

Bioenkapsulacja i nanotechnologia

www.bionano.krakow.pl

Tematem przewodnim realizowanym w grupie jest zastosowanie nanotechnologii w nowoczesnej medycynie. Celem naszych działań jest: opracowanie innowacyjnych rozwiązań dla współczesnej medycyny w celu poprawy poziomu życia ludzkości. Badania przeprowadzane w grupie mają na celu: opracowanie uniwersalnego systemu dostarczania leków z możliwością jednoczesnej diagnostyki, opracowanie nowych środków o działaniu przeciwdrobnoustrojowym bazujących na zastosowaniu nanocząstek np. srebra, złota, opracowaniu metod modyfikacji powierzchni np. implantów w celu polepszenia ich biozgodności i akceptacji. W obszarze zainteresowań są: terapie przeciwnowotworowe, choroby neurodegeneracyjne, schizofrenia, zakażenia drobnoustrojami oraz diagnostyka MRI.

Funkcjonalne filmy nanokompozytowe

Głównym tematem naszych badań są filmy polielektrolitowe osadzone na podłożu stałym z wbudowanymi nanoobiektami, takimi jak: nanocząstki, lipidy czy biopolimery, wykorzystywane do tworzenia zaawansowanych układów nanokompozytowych. Skupiamy się na badaniu wpływu struktury hybrydowej i własności powierzchniowych nanokompozytów na ich funkcjonalność i zastosowanie w dziedzinie nowoczesnych materiałów o złożonej strukturze, jak: biomateriały, (bio)sensory czy nanoelektronika. Naszą motywacją jest stworzenie filmów kompozytowych ze specyficznymi właściwościami i powiązanie ich ze strukturą, co zapewni postęp technologiczny w badanych dziedzinach.

Obecnie przedmiotem naszych zainteresowań są:

• nanonośniki liposomalne
• nanokompozytowe filmy przewodzące
• tworzenie wielowarstw polielektrolitowych w warunkach niewodnych

STOSOWANE METODY BADAWCZE

• mikrowaga kwarcowa z monitorowaną dyssypacją energii
• elipsometria spektroskopowa
• spektrofluorymetria
• zetasizer Nano ZS
• woltamperometria cykliczna
• badania zwilżalności metodą siedzącej kropli

GŁÓWNE OSIĄGNIĘCIA

• Wyjaśnienie wpływu kotwiczącej warstwy PEI na stabilność i właściwości międzyfazowe wielowarstwowych filmów polielektrolitowych
• Odkrycie zjawiska niemonotonicznego wzrostu wielowarstw zbudowanych z polielektrolitów będących słabymi elektrolitami
• Tworzenie filmów nanokompozytowych posiadających właściwości magnetyczne
• Wyjaśnienie wpływu filmu polielektrolitowego na strukturę osadzonej dwuwarstwy lipidowej
• Wbudowanie hydrofobowych kropek kwantowych o różnej wielkości do liposomów
• Tworzenie osadzonych dwuwarstw lipidowych zawierających hydrofobowe kropki kwantowe

Elektrochemia

W pracowni badane są procesy elektrochemiczne zachodzące w ogniwach paliwowych, układach korozyjnych oraz w hydrometalurgii.

GŁÓWNE KIERUNKI BADAWCZE

• Wysokotemperaturowe tlenkowe i węglanowe ogniwa paliwowe zasilane paliwem gazowym lub węglem stałym
• Kinetyka i mechanizm reakcji redukcji tlenu w wysokotemperaturowych ogniwach paliwowych
• Kinetyka i mechanizmy utleniania paliwa w wysokotemperaturowych ogniwach paliwowych
• Procesy katalityczne w ogniwach paliwowych
• Synteza materiałów dla wysokotemperaturowych ogniw paliwowych
• Procesy transportu chemicznego w wysokotemperaturowych ogniwach paliwowych
• Fotokataliza na ditlenku tytanu
• Otrzymywanie stopów metali i kompozytów metal/ceramika na drodze elektrolizy
• Korozja metali i stopów metali oraz metody zapobiegania korozji
• Właściwości powierzchniowe minerałów

STOSOWANE METODY BADAWCZE

W pracowni stosowane są głównie metody elektrochemiczne (spektroskopia impedancyjna, woltamperometria cykliczna). Metody te łączone są często z typowymi metodami fizykochemii powierzchni jak: skaningowa i transmisyjna mikroskopia elektronowa (SEM, TEM), spektrometria elektronów generowanych promieniowanie X (XPS), dyfraktometria rentgenowska (XRD), mikroskopia i spektrometria optyczna (IR, UV-VIS), czy mikroskopia skaningowa (SEM, AFM). Pracownia wyposażona jest w kilka skomputeryzowanych zestawów pomiarowych umożliwiających stosowanie dowolnych metod elektrochemicznych oraz w spektrometr fluorescencji rentgenowskiej (EDX) do badania składu chemicznego próbek złożonych.

GŁÓWNE OSIĄGNIĘCIA

• Ocena położenia na skali energii poziomów elektronowych poziomów powierzchniowych wytworzonych na granicy fazowej TiO2/roztwór wodny w wyniku domieszkowania TiO2 metalami przejściowymi
• Półilościowy opis oddziaływań w krótko zwartych ogniwach galwanicznych złożonych z minerałów
• Opracowanie metody otrzymywania fotokatalizatora Ag/TiO2 o wysokiej aktywności katalitycznej

Surfaktanty i układy samoorganizujące

W badaniach koncentrujemy się na określeniu właściwości adsorpcyjnych surfaktantów oraz ich kompleksów z polimerami (naturalnymi jak białka i polisacharydy oraz syntetycznymi o charakterze kationowych i anionowych polielektrolitów) na ciekłych granicach faz: roztwór wodny/powietrze lub woda/olej.

GŁÓWNE KIERUNKI BADAWCZE

• właściwości adsorpcyjne surfaktantów jonowych
• właściwości surfaktantów degradowalnych typu “esterquat” i “amidoquat” jako emulsyfikatorów/stabilizatorów nanoemulsji
• wpływ struktury molekularnej na szybkość hydrolizy surfaktantów degradowalnych
• wpływ kinetyki adsorpcji surfaktantów na stabilność tworzenia pian
• zastosowanie układów samoorganuizujących się w konserwacji i restauracji malowideł ściennych

STOSOWANE METODY BADAWCZE

• Pomiar napięcia powierzchniowego metodą wiszącej kropli (kinetyki adsorpcji od 10 s do kilku h)
• Pomiar dynamicznego napięcia powierzchniowego metodą maksymalnego ciśnienia w pęcherzyku ( kinetyki adsorpcji od 0,01 do 40 s)
• Pomiar kąta zwilżania

GŁÓWNE OSIĄGNIĘCIA

• Wyjaśnienie wysokiej aktywności powierzchniowej surfaktantów typu “esterquat ” jako synergistycznego efektu pomiędzy zachodzącym w objętości, zależnym od pH roztworu procesem hydrolizy i równoczesną adsorpcją w warstwie powierzchniowej : surfaktantu, aktywnych powierzchniowo produktów hydrolizy oraz ich kompleksów z surfaktantem.
• Wyselekcjonowanie surfaktantów – dobrych emulsyfikatorów, o stabilnym ładunku powierzchniowym umożliwiających tworzenie stabilnych emulsji. Krople emulsji stanowią rdzeń na który metodą warstwa po warstwie można tworzyć powłoki polielektrolitowe o różnych grubości, stopniu przepuszczalności i funkcji zależnej od zastosowania substancji czynnych, które znajdują się w takim nośniku (kompleksy AOT/PDADMAC).
• Wyjaśnienie aktywności powierzchniowej kwasów alkanowych w zależności od pH roztworu w oparciu o teoretyczny model adsorpcji mieszanin jonowych i nie jonowych surfaktantów.
• Wyjaśnienie aktywności powierzchniowej kwasów alkanowych w zależności od pH roztworu w oparciu o teoretyczny model adsorpcji mieszanin jonowych i nie jonowych surfaktantów.
• Wyjaśnienie wpływu stężenia i rodzaju przeciwjonu (efekt Hofmeistera) elektrolitu na aktywność powierzchniową surfaktantów kationowych.

Bio – piany i emulsje

NASZE ZAINTERESOWANIA

Badania nasze koncentrują się na wyjaśnieniu wpływu adsorpcji powierzchniowej bio-surfaktantów i nano-cząstek stałych na procesy powstawania oraz stabilność i właściwości reologiczne cienkich warstw powierzchniowych oraz pian i emulsji.
W prowadzonych badaniach stosujemy zarówno naturalne, jak i syntetyczne biosurfaktanty. Naturalne surfaktanty  są to związki o różnej budowie chemicznej – niskocząsteczkowe – glikolipidy, lipopeptydy i cykliczne peptydy lub wysokocząsteczkowe – np. lipopolisacharydy, biopolimerowe kompleksy i lipoproteiny. Przykładem takiego związku mogą być badane przez nas b-laktoglobulina (proteina) lub saponina (glikozyd).  Do syntetycznych biosurfaktantów można natomiast  zaliczych n-dodecylo etyloarginian  (LAE), związek o właściwościach powierzchniowych i drobnoustrojobujczych, ulegający w przypadku spożycia hydrolizie do bezpiecznych substratów (n-dodekanolu i  arginianu), zaaprobowany do użycia jako konserwant żywności i składnik produktów kosmetycznych.
Jako nano-cząstki stałe wykorzystujemy mineralne i organiczne cząstki koloidalne, kalie jak krzemionka koloidalna lub nanoceluloza.
Naszym podstawowy celem jest określenie wpływu wzajemnych oddziaływań pomiędzy różnymi komponentami roztworu i warstwy adsorpcyjnej na właściwości powierzchniowe badanych mieszanin oraz na stabilności i właściwości reologiczne cienkich filmów pianowych oraz pian i emulsji. W swoich badaniach określamy również wpływ czynników środowiskowych, t.j. m.in. pH i siła jonowa,  na parametry fizykochemiczne warstwy adsorpcyjnej oraz na badane procesy pianotwórcze.

GŁÓWNE KIERUNKI BADAWCZE

• Złożone warstwy adsorpcyjne – surfaktanty i nanocząstki na powierzchniach międzyfazowaych
• Eksperymentalne i teoretyczne badania dynamiki adsorpcji i reologii międzyfazowej na powierzchniach cieczy ciekłych i
• Wzajemne interakcje między nanomateriałami o specjalnych właściwościach, a  modelowymi monowarstwami zbudowanymi z bio-surfaktantów
• Stabilność pian i emulsji oraz korelacja z właściwościami powierzchniowymi cieczy
• Piany i emulsje stabilizowane cząsteczkami oraz ich zastosowania

STOSOWANE METODY BADAWCZE

Zestaw do badania aktywności i elastyczności powierzchniowej metodą wiszącej kropli – Sinterface PAT-1M
•    Zestaw do badania swobodnej energii powierzchniowej materiałów stałych metodą badania kątów zwilżania oraz do testów aktywności powierzchniowej metodą wiszącej kropli – Kruss DSA 100M
•    Pomiar dynamicznego napięcia powierzchniowego metodą maksymalnego ciśnienia w pęcherzyku ( kinetyki adsorpcji od 0,01 do 40 s) – Sinterface BPA-1P
•    Automatyczny zestaw i procedura szybkiej charakteryzacji zdolności pieniących i stabilności pian
•    Reometr rotacyjny Malvern/Bohlin Gemini II do pomiarów parametrów reologicznych emulsji, żeli i cieczy
•    Aparatura do pomiarów napięcia powierzchniowego (metoda odrywania pierścienia – Du Noy’a – oraz metoda stalagmometryczna).
•    Zestaw pomiarowy z oświetleniem stroboskopowym do pomiarów lokalnych i granicznych prędkości pęcherzyka.

GŁÓWNE OSIĄGNIĘCIA

•  Określenie wpływu rozmiaru mikrocząstek stałych na stabilność i lepko elastyczność pian ciekłych Gillette shave carem
• Opisanie wzajemnych oddziaływań pomiędzy cząsteczkami saponiny i chitozanu w warstwie adsorpcyjnej
•  Opisanie procesu wyciekania cieczy w pianach zbudowanych na bazie proteiny BSA (Bovine serum albumine)
•  Uzyskanie danych doświadczalnych dowodzących, że na powierzchni wypływającego pęcherzyka pokrycie adsorpcyjne jest nierównomierne.
•  Wyznaczenie minimalnego pokrycia adsorpcyjnego niezbędnego do unieruchomienia powierzchni wypływającego pęcherzyka.