Desinfiointiaineet, aurinkovoiteet, syöpälääkkeiden kantajat – mihin nanopartikkelit eivät pystyisi? Nanohiukkasia pääsee nyt tutkimaan myös Kemianluokka Gadolinissa.
Aleksi Takala ja Johannes Pernaa
Nanoteknologia on osa nykyajan murrosta kemianteollisuudessa. Nanometreissä mitattavien rakenteiden pituus ja muoto muuttavat perustavanlaatuisesti tuotantomenetelmien tehokkuutta ja materiaalien ominaisuuksia ja tarjoavat uusia mahdollisuuksia muun muassa lääketieteelle.
Mutta kuinka nanohiukkasia valmistetaan, mistä alkuaineista ne koostuvat, ja onko niiden valmistus kestävällä pohjalla?
Kemianluokka Gadolinin uusimmassa, kouluikäisille tarkoitetussa oppilastyössä hyödynnetään vesimelonia hopean nanohiukkasten synteesissä. Samalla tulevat tutuiksi kestävän kemian menetelmät ja kiertotalous.
Työ sisältää arkipäivän kemiaa ja modernia kemian teknologiaa. Lisäksi se on saanut inspiraationsa autenttisesta hopean nanohiukkasten tutkimuksesta.
Työssä hopeakationit pelkistetään ja stabiloidaan vesiliuoksessa vesimelonin kuoresta eristetyillä polyfenoleilla. Reaktio on hyvin yksinkertainen ja selvästi havaittavissa.
Kun reagenssit sekoitetaan nopeasti, havaitaan pintaplasmoniresonanssi-ilmiö värinmuutoksena, joka syntyy hopean nanohiukkasten ja valon vuorovaikutuksesta.
Tämä laskee liuoksen läpäisemän valon intensiteettiä, minkä värinmuutos osoittaa.
Työn saantoon vaikuttavia tekijöitä, kuten lämpötilaa, pH:ta ja ainemäärien suhdetta, pohditaan ryhmissä, ja hopean nanopartikkelien muodostumista analysoidaan kvalitatiivisesti spektrofotometrialla.
Laitteet voi rakentaa itse
Polyfenolien lähteenä käytetään jätettä eli vesimelonin kuorisolukkoa, joka voidaan hyödyntää välittömästi reaktiossa hyvällä saannolla ja ennen kaikkea vihreän kemian periaatteita noudattaen.
Vesimelonin kuorista erotetut polyfenolit pelkistävät ja stabiloivat hopeakationeja, mikä säästää reagensseja aiempiin menetelmiin verrattuna.
Teollisuudessa käytetään stabilointiaineena muun muassa natriumlauryylisulfaattia ja pelkistiminä lukuisia orgaanisia ja epäorgaanisia yhdisteitä, joista yksinkertaisin lienee sitraatti.
Gadolinin uuden työn suunnittelussa on kohdattu yksi haaste. Nanohiukkasten pitoisuuden mittaaminen vaatii laitteistoja ja ohjelmistoja, joita ei helposti saatavilla koulukäyttöön.
Työssä vaadittaisiin uv-spektrofotometriä, ja sellaiset ovat kalliita. Koulun on vaikea hankkia tuhansia euroja maksavaa laitetta, vaikka se mahdollistaisi esimerkiksi metallien ja proteiinien tarkan tutkimisen.
Haasteen voisi ratkaista hyödyntämällä avointa lähdekoodia ja rakentamalla tarvittavan laitteen itse. Esimerkiksi Arduino-mikropiirisovelluksilla oppilaitosten on mahdollista rakentaa halvempia ja opetuskäyttöön soveltuvia mittauslaitteita valmiiden ohjeiden avulla.
(Kuva Aleksi Takala) Hienonnettua vesimelonin kuorta lämmitetään vedessä. Suodatuksen jälkeen liuos saatetaan emäksiseksi, ja hopean nanohiukkaset voidaan näin havaita pintaplasmoniresonanssi-ilmiönä eli liuoksen värinmuutoksena.
