Сабақ мақсаты: Студенттерді бионанокомпозиттер және бейорганикалық нанокомпозит түрлерімен, олардың алыну, қолдану аясымен таныстыру

Сабақ міндеттері:

· білімділік: студенттер наноматериалдардың жаңа түрлерімен танысады, оларды есте сақтайды;

· тәрбиелік: ыдырау процесінде қолданыс тапқан нанобиокомпозиттермен танысып, экологиялық проблемалармен танысады;

· дамытушылық: алдыңғы білімдеріне жаңа вискерлер, манганиттер, нанобиокомпозиттер секілді білімдерді қосып, оны ары қарай дамытады;

Жоспар

1. Нанобиокомпозиттер алынуы, қолданыс аясы

2. Вискерлер – бейорганикалық наноматериалдар

3. Манганиттер және манганиттік вискерлер

Ұсынылатын әдебиеттер тізімі:

1. Нанотехнология мен наноматериалдардың физика-химиялық негіздері: оқу құралы/ М. Нажипқызы, Р.Е. Бейсенов, З.А. Мансұров. – Алматы: Қазақ университеті, 2015. – 214 б.

2. © Springer Nature Singapore Pte Ltd. 2018 1 R. Prasad et al. (eds.), Fungal Nanobionics: Principles and Applications, https://doi.org/10.1007/978-981-10-8666-3_1

3. Природа №11, 2003 г., «Кристаллические вискеры и наноострия»: Е.И. Гиваргизов

1.Нанобиокомпозиттер алынуы, қолданыс аясы

Нанотехнология қоршаған ортаны қорғау саласында кеңінен зерттеліп, қолданылады. Экологиялық мәселелердің күшеюімен биотехнологияның негізгі мақсаттарының бірі қоршаған ортаны залалсыздандыру болып табылады, бұл улы заттарды ыдырату үшін саңырауқұлақтар сияқты микроорганизмдерді немесе олардың ферменттерін пайдалану арқылы улы заттарды улы емес заттарға айналдырады. Нанотехнологияны әртүрлі бөлшектермен және саңырауқұлақтар сияқты организмдермен біріктіру биоремедиациялық тұрақты экологиялық баламаларды қамтамасыз ете алады. Наноматериалдардың бірнеше түрлерінің арасында нанобөлшектер көптеген әртүрлі қолданбаларда кеңінен қолданылады. Биологиялық жүйелерде қолдануға жарамды нанобөлшектерді іздеу кезінде темір оксидінің нанобөлшектері химиялық тұрақтылығы мен төмен уыттылығына байланысты жақсы үміткерлер болып көрінеді. Осылайша, нанокатализаторлар, нанобиокомпозиттер және биоактивті нанобөлшектер сияқты материалдар химиялық қалдықтармен ластанған жүйелерді қалпына келтіру және бақылау үшін процестер мен әдістерді әзірлеуде көбірек қолданылады.

Саңырауқұлақтар патшалығы - әртүрлі биотехнологиялық қолданулары бар эукариоттық организмдерден тұратын алуан түрлі және гетерогенді топ. Бұл патшалықтың 1,5 миллион түрді бар, бірақ саңырауқұлақ түрлерінің шамамен 5% ғана белгілі.

Саңырауқұлақтарды екі топқа бөліп қарастыруға болады. 1-топқа ашытқы саңырауқұлақтарын жатқызамыз, олар жалғыз және кішкентай жасушалар. 2-топқа гифальды саңырауқұлақтар кіреді, олар түтік тәрізді және поляризацияланған жасушаларды ұсынады және үздіксіз өседі. Гифалардың диаметрі 2-10 мкм, ұзындығы бірнеше сантиметрге жетеді.

Саңырауқұлақ жасушасының қабырғасы - бұл полисахаридтерден, ақуыздардан немесе липидтерден тұратын плазмалық мембранадан тыс динамикалық полимерлі матрица, ол жасушаны стресстен және улы заттардан қорғайды, осмостық қысым оның лизисін болдырмайды және саңырауқұлақтың морфологиялық құрылымын анықтайды. Қабырғалық ақуыздар полисахаридтермен коваленттік байланыс арқылы біріктіріліп, қабырғаның адгезиясына, танылуына, модификациясына және қоректенуына әсер етеді. Протоплазманы қорғауға ықпал ететін пигменттер болуы мүмкін.

Саңырауқұлақтардың жасуша қабырғасының құрамдас бөліктерінде (-OH, -NH₂, -COOH, -SH) болатын функционалдық топтар металл нанобөлшектерімен әрекеттесіп, нанобиокомпозиттер түзе алады. Бұл ластанған аумақтарды биоремедиациялау бойынша зерттеулердің кең өрісін ашады, өйткені саңырауқұлақтар көптеген биологиялық белсенділікке және қолданбаларға ие, ал нанобөлшектердің перспективалы биотехнологиялық әлеуеті бар. Нанобөлшектер саңырауқұлақтар қабырғасына біркелкі таралып, ондағы хитинмен, ақуыздармен және глюкандармен әрекеттеседі.

Нанобиокомпозиттер саңырауқұлақтарға қосылған Fe₃O₄ нанобөлшектерінің дегидратация реакциясы арқылы дайындалуы мүмкін, онда саңырауқұлақтың жасуша қабырғасында орналасқан хитиннің карбоксил топтары нанобөлшектердің бетіндегі карбоксил топтарының сутегі атомдарымен қосыла алады.

Нанобиокомпозиттер саңырауқұлаққа қосылған Fe₃O₄ нанобөлшектерінің дегидратациялану реакциясы арқылы дайындалуы мүмкін, онда саңырауқұлақтың жасуша қабырғасында орналасқан хитиннің карбоксил топтары нанобөлшектердің бетіндегі сутегі атомдарымен қосыла алады. Ли және өзге де авторлар 2015 жылы, қара саңырауқұлақ Aspergillus нанобиокомпозиті және Fe₃O₄ нанобөлшектері (саңырауқұлақ-Fe₃O₄ биоананокомпозиттері) түзілу кезіндегі химиялық байланыстардың өзгеруіне Фурье түрлендіру инфрақызыл спектроскопиясын (FTIR) талдауын жасаған.

Сурет 1. Саңырауқұлақтар мен Fe₃O₄ нанобөлшектері арасындағы нанобиокомпозиттердің түзілуі кезіндегі реакция. (Li және т.б. 2015 ж.)

Алтын микросымдарын алу үшін Aspergillus niger мицелийіндегі алтын нанобөлшектерінің көмекші өзін-өзі ұйымдастыру моделін зерттеуде Сабах және өзге зерттеушілер (2012) өсу кезінде коллоидтардың рН-ның 3-тен 7-ге дейін біртіндеп өзгеруін растады, бұл саңырауқұлақтың коллоидтағы глутамин қышқылын тұтынуын және гифадағы нанобөлшектердің дәйекті агрегациясын көрсетеді. Саңырауқұлақ жасушасының қабырғасындағы нанобөлшектердің агломерациясы броундық қозғалыстың арқасында жүреді, бұл нанобөлшектердің келесі қабаттарға жиналып, өсіп келе жатқан гифаларға қарай жылжып, бірігуін тудырады. Гифалар мен алтыннанобөлшектерінің беттері гидрофобты болғандықтан, бұл қабатты құрылымның тұрақтылығы нанобөлшектердің өздері арасындағы, сондай-ақ олардың беттері мен гифальды беті арасындағы әрекеттесу күштерімен қамтамасыз етіледі және бұл күштер ерітінді және беттер арасындағы бос энергияға байланысты.

Зерттеулер саңырауқұлақтардың химиялық қалдықтарына байланысты металл нанобөлшектерімен әрекеттесу кезінде, әсіресе магниттік темір оксидінің нанобөлшектерімен әрекеттесу кезінде жақсартылған биоремедиация қабілетіне ие болуы мүмкін екенін көрсетеді. Шын мәнінде, нанобөлшектер саңырауқұлақтың мицелиалды бетін жабады және Phanerochaete chrysosporium саңырауқұлағы мен Fe3O4 нанобөлшектерін пайдалана отырып, оның ыдырау қабілеті сияқты әсерін күшейтеді.

Бұрын сипатталғандай, металл нанобөлшектерін, әсіресе магнетит нанобөлшектерін пайдалана отырып, саңырауқұлақ нанобиокомпозиттерінің қалыптасуы көптеген нанобиокомпозиттер: синтез және қоршаған ортаны қорғау бойынша зерттеулердің тақырыбы болды. Сондықтан биомасса субстратының масса тасымалдау, төмен құны, дисперстілігі және нанобөлшек масштабы сияқты артықшылықтары бар. Сонымен қатар, темір оксидінің нанобөлшектері оның мицелийі пайда болғаннан кейін саңырауқұлақтарда өздігінен жинала алады, мысалы, хелаттандырушы агенттер мен кросс-байланыстырушы агенттерді пайдалану сияқты арнайы химиялық жағдайлар мен әдістерді қажет етпейді.

Ауыл шаруашылығында қолдану: зиянкестермен күресу. Пестицидтерді қолдану салдарынан ондаған жылдар бойы ауыл шаруашылығы зардап шекті; пестицидтер топырақ пен суға жағымсыз әсер етеді және бүкіл қоректік тізбекте жинақталады. Осы пестицидтердің кейбірін пайдалану гормоналды проблемаларға, қатерлі ісік қаупінің жоғарылауына, иммундық жүйенің жеткіліксіз жұмыс істеуіне және теңіз және жердегі жануарлардың әртүрлі түрлерінде ауытқуларға әкелді.

Нанотехнологияны генетикамен бірге қолдану ауыл шаруашылығына да көмектесті, өйткені нуклеин қышқылдарымен байланысқан нанобөлшектерді пайдалану ДНҚ құрылымдарын бағдарламалауға мүмкіндік береді. Олардың құрылымдық қасиеттері нуклеин қышқылдарына белгісіз жолдарды ашу арқылы арнайы қолданбаларды таба алады. Нанобөлшектердің генетикалық материалмен бірігуі ДНҚ-ны жәндіктерге берудің заманауи түріне айналуы мүмкін. Хандельвала (2016) айтуынша, бұл нәтиже нанотехнология генетикалық материалды тасымалдау үшін уытты емес және өміршең шешім ұсынатынын көрсетеді. Ол сондай-ақ трансгенді өсімдіктерді жасау процесіне жол бермей, жәндіктерді бақылаудың қарапайым әдісін ұсынады.

Сонымен қатар, күміс нанобөлшектері Blaberus discoidalis неотропикалық тарақанымен күресу үшін пайдаланылды. Бұл зерттеу күміс нанобөлшектерінің болуына байланысты тарақанның орталық жүйке жүйесінде моторлық функцияның өзгеруі байқалатынын көрсетті. Сони мен Пракаш (2012) масалардың личинкаларын (Aedes aegypti) жою мақсатында Chrysosporium tropicum саңырауқұлақтарынан күміс және алтын нанобөлшектерін алды. Нәтижелер алтын нанобөлшектерін пайдалану кезінде емдеудің тиімдірек екенін көрсетті. Личинкалардың өлімі күміс нанобөлшектерімен өңдеумен салыстырғанда шамамен үш есе өсті. Қорытындылай келе, жәндіктерді нанобөлшектермен өңдеу кәдімгі инсектицидтермен салыстырғанда өлімді арттырады. Сонымен қатар, емдеу үшін пайдаланылатын нанобөлшектердің көбеюімен жәндіктердің өлімі өсті.

2. Вискерлер – бейорганикалық наноматериалдар

Вискерлер (ағылш. whisker - шаш, жүн; - whiskers ‖, бейорганикалық талшықтар) диаметрі 1-ден 10 мкм-ге дейінгі жіп тәрізді кристалдар.

Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде радар тез дамыды - қарапайым станциялардан ең күрделі радиотехникалық алпауыттарға дейін. Көбінесе мұндай қондырғылар түсініксіз сәтсіздікке ұшырады. Бұл құбылыстың шешімі 40-жылдардың аяғында келді: радио тізбектерді байланыстыратын қалайы дәнекерлеуіштеріндегі станцияларды тексеру кезінде көзге әрең көрінетін (диаметрі 1-2 микрон) ұзын металл түктері немесе жіп тәрізді кристалдар анықталды, олар қысқа тұйықталулардың сбепшісі болды.. Бұл шаштар немесе антенналар мұрт деп аталды, яғни. мысықтың мұрттары (біздің теледидарда жарнамаланатын мысық тағамының «Whiskas» деп аталуы.

Мұндай мұртшалардың ішкі механикалық кернеулердің әсерінен түзілетіні ұсынылды (кейінірек расталды): қалайы қабатына сыртқы күш түсіргенде, мұртшалардың өсу қарқыны 10 000 (!) есе өсті. кездейсоқ емес).

Кремний мұрттары (сканерлеуші электронды микроскоптағы сурет, сканерлеу сәулесінің түсу бұрышы 30°). Мұнда алтын тамшылары тек субстраттың бір бөлігінде (жоғарғы сол жақ бұрыш) жасалған. Жеке мұрт кездейсоқ түсудің нәтижесі болып табылады. Мұрттардың төбесінде көрінетін жарты шар тәрізді түзілімдер кристалдану аяқталғаннан кейін кристалданған сұйық қорытпаның тамшылары (глобулдары) болып табылады, олардың құрамы кристалданған заттың фазалық диаграммасымен (бұл жағдайда кремний) және мұрттардың өсуін бастайтын металл (мұнда, алтын). Глобулалар кремний мен алтынның ұсақ кристаллиттерінің ретсіз қоспасынан түзілген.

Вискерлер бірегей қасиеттер жиынтығы бар ең перспективалы кристалды материалдардың бірі болып табылады. Олар, әдетте, мінсіз, дерлік идеалды дислокациясыз құрылымға ие, бұл пластикалық деформацияның әдеттегі механизмдерін жояды және олардың беріктігін берілген зат үшін теориялық шекке жақындатады. Вискерлер қарапайым кристалдарға қарағанда ондаған, тіпті жүздеген есе күшті, олардың керемет икемділігі, коррозияға төзімділігі және қасиеттерінің кристаллографиялық анизотропиясы бар. Аса таза металдар мен алмаздан жасалған «вискерлер», кремнийден немесе асқын өткізгіш Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ мұрттарын өндіру қазіргі заманғы функционалдық материалдар химиясының классикасына айналды. Кристалдардың бұл ерекше формасы оның пайда болу механизмін зерттеу тұрғысынан ғана емес, сонымен қатар оның нақты физика-химиялық сипаттамаларына байланысты қызықты. Бір өлшемді кристалдық жүйе бола отырып, вискерлердің қолданудың кең ауқымын таба алады.

Кристалдық наножіптердің жарты ғасырдан астам уақыттан бері белгілі болғанына қарамастан, вискерлер техникалық тұрғыдан біржақты қолданылады - негізінен арматуралық талшықтар ретінде. Олардың басым көпшілігі механикалық қасиеттері жақсартылған (көміртекті талшықтар, SiC, Al₂O₃) құрылымдық композиттік материалдарды жасау үшін ғана пайдаланылады және өндіріс көлемі айтарлықтай деңгейге жетеді. Наномұртшалардың реттелген ансамбльдерін кванттық әсерлер (кванттық нүктелер, кванттық сымдар) көрсететін бірегей оптикалық қасиеттері бар жүйелер ретінде қарастыруға болады.

3. Манганиттер және манганиттік вискерлер

Манганиттер - үлкен магниттік кедергі әсері бар қосылыстар.Өткен ғасырдың жиырмасыншы жылдарынан бері электр тізбегінде ток тудыратын электрондардың да өзінің магниттік моменті, спині болатыны белгілі болды. Алайда бұл практикалық мақсатта пайдаланылмады. Жаңа мыңжылдықтың келуімен ғылымның жаңа саласы – магнитоэлектроника немесе қазіргі кезде әдеттегідей спинтроника деп аталатын электронды спинді зерттеу және практикалық қолдану мәселелерімен айналысатын ғылым саласы пайда болды.

Сурет 3. Алып магниттік кедергі құбылысы

Қазіргі уақытта спинтроника металл және жартылай өткізгіш құрылымдардағы магниттік және магниттік-оптикалық әрекеттесулерді, сонымен қатар нанометрлік құрылымдардағы кванттық магниттік құбылыстарды зерттейді. Ал спинтрониканың даңқты маршы ауыспалы магниттік және магниттік емес материалдардан тұратын көп қабатты пленкалардың магниттік және электрлік қасиеттерін зерттеуден басталды.
20 ғасырдың аяғында қол жеткізілген жұқа металл қабықшаларды өндіру мен зерттеудегі елеулі жетістіктер іргелі физика үшін де, практикалық қолдану үшін де қызықты бірқатар жаңа құбылыстардың ашылуына әкелді. Технологияның жетілдірілуі бірегей құрылымы мен құрамы бар жаңа магниттік материалдарды синтездеуге мүмкіндік берді, ал магниттік және магниттік емес материалдардың ультра жұқа қабаттарын өткір интерфейстермен алу мүмкіндігі олардың түбегейлі жаңа магниттік және электрлік қасиеттерін қамтамасыз етті. Мұндай материалдарда үш қабатты пленкадағы магниттік моменттердің параллельді (ферромагниттік [FM] конфигурациясы) немесе антипараллельді (антиферромагниттік [AFM] конфигурациясы) болуы мүмкін болғандықтан, бірқатар бірегей физикалық құбылыстар пайда болады.

Манганит вискерлері. Хлоридтер ағынының балқымасын (KCl, NaCl) изотермиялық булану арқылы алынған голландит Ba₆Mn₂₄O₄₈ қаңқалық фазаларының кристалдары мақта, үлбір немесе киізбен салыстыруға болатын ерекше пішінге ие.

Өскен манганит мұрттарының бастапқы кристалдық құрылымы өзіне назар аударуға тұрарлық. Құрылымдық блоктардан, әр түрлі тәсілдермен біріктірілген MnO₆ октаэдрлерден тұратын каркас басқа металдардың катиондары орналасатын туннельдер құрайды. Ba₆Mn₂₄O₄₈ туннельдердің үш түрінің болуымен сипатталады. Біріншісі - Ba²⁺ бар шаршы голландит тәрізді туннельдер, екіншісі - бос рутил тәрізді туннельдер, үшіншісі - барий катиондарының екі қатары орналасқан күрделі пішінді туннельдер. Барий субторы жартылай ретсізденген, туннельден туннельге ауысқанда барий катиондарының орны өзгеруі мүмкін. Мұндай кристалдық құрылымда және ондай кристалдарда жасырылған мүмкіндіктердің әлеуеті орасан зор.

Иондық өткізгіш, катализатор, атомдық күшті микроскопиялық зонд, бейорганикалық сорбент, радиоактивті қалдықтарды кәдеге жаратуға арналған матрица - бұл алынған талшықтар қабілеттілігінің бір бөлігі ғана.