Nanotechnologia

W obliczu rosnących wyzwań związanych z ochroną środowiska i zapewnieniem bezpieczeństwa publicznego, istotne stało się poszukiwanie nowatorskich rozwiązań w dziedzinie monitorowania jakości wody oraz detekcji gazów, takich jak dwutlenek węgla. Jednym z najbardziej obiecujących kierunków badawczych w tej dziedzinie jest wykorzystanie unikalnych właściwości diamentu, materiału znanego ze swojej trwałości, stabilności chemicznej oraz szerokiego spektrum możliwości modyfikacji powierzchni.

Diament, jedna z alotropowych form węgla, jest rezultatem fascynującej metamorfozy, jaką pierwiastki mogą przejść w ekstremalnych uwarunkowaniach. Ten wyjątkowy materiał wyróżnia się nie tylko niespotykaną twardością, ale również niezwykłą czystością, będąc zbudowanym wyłącznie z atomów węgla. W określonych warunkach ciśnienia i temperatury atomy te łączą się, tworząc krystaliczną strukturę o imponującej stabilności i odporności na uszkodzenia. Jest to homogeniczność na skalę atomową, która zapewnia diamentowi całą gamę nadzwyczajnych właściwości fizycznych i chemicznych.

Na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Kazimierza Wielkiego prowadzone są zaawansowane badania nad wytwarzaniem niedomieszkowanych warstw diamentowych z wykorzystaniem metody chemicznego osadzania z fazy gazowej (HF CVD). Ta metoda pozwala na otrzymanie warstw diamentowych o wyjątkowych właściwościach i wysokiej czystości, co ma kluczowe znaczenie dla zwiększenia czułości i selektywności sensorów. Niedomieszkowane warstwy diamentowe, wytwarzane w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, otwierają nowe możliwości w kreowaniu czujników zdolnych do pracy w ekstremalnych lub zmiennych warunkach, a także oferują znaczące korzyści w kontekście ochrony środowiska i zdrowia publicznego.

1. Wnętrze reaktora
2. Przepływomierze masowe
3. Mieszanka wodoru i węglowodoru
4. Gorące włókno
5. Uchwyt podłoża
6. Zasilacz DC
7. Zawór iglicowy
8. Pompa próżniowa

Rys. 1. Reaktor HF-CVD

Stosowanie niedomieszkowanych warstw diamentowych w czujnikach do analizy jakości wody oraz w technologiach podczyszczania wody ma wiele zalet, które wynikają z unikalnych właściwości diamentu. Poniżej przedstawiono kluczowe powody, dla których takie rozwiązanie jest obiecujące:

• Wysoka stabilność i trwałość: diament jest materiałem niezwykle odpornym na różnego rodzaju czynniki chemiczne i biologiczne. Dzięki temu czujniki oparte na warstwach diamentowych nie ulegają degradacji, co jest kluczowe przy pracy w środowiskach wodnych o nieznanym składzie. To zwiększa niezawodność i długowieczność sensorów, co jest szczególnie ważne w aplikacjach środowiskowych i przemyśle.
• Bezpieczeństwo dla środowiska: Wykorzystanie diamentu jako materiału bazowego dla czujników jest przyjazne dla środowiska, ponieważ nie wiąże się z użyciem potencjalnie szkodliwych substancji, które mogłyby przyczynić się do zanieczyszczenia lub destabilizacji ekosystemów.
• Bezawaryjność i szybkość odpowiedzi: jak wskazano w tekście, jedną z głównych cech sensorów jest ich szybka i skuteczna reakcja na zmiany w analizowanym środowisku. Jest to szczególnie ważne w monitorowaniu jakości wody, gdzie szybka identyfikacja potencjalnych zagrożeń jest kluczowa.
• Modyfikacja powierzchni: niedomieszkowane warstwy diamentowe można terminować różnymi grupami funkcyjnymi, co zwiększa ich zdolność do wiązania różnorodnych biomolekuł. To czyni je odpowiednimi do wykrywania szerokiego zakresu zagrożeń biologicznych, takich jak bakterie E. coli czy toksyny, co jest kluczowe dla bezpieczeństwa wody.
• Brak domieszek zwiększających przewodnictwo: tradycyjne czujniki często zawierają domieszki takie jak bor czy azot, które choć zwiększają przewodnictwo, to mogą również negatywnie wpływać na strukturę krystaliczną materiału i w efekcie na jego właściwości sensorowe. Użycie czystych warstw diamentowych pomaga uniknąć tych problemów, zapewniając jednocześnie efektywność detekcji.
• Zastąpienie materiałów o ograniczonej trwałości: obecnie używane materiały w konstrukcji czujników, takie jak lateks, polistyren, złoto, czy szkło, mają ograniczenia związane z biodegradacją i niską stabilnością chemiczną. Diament, będący materiałem trwalszym, oferuje rozwiązanie tych problemów, podnosząc standardy działania systemów sensorycznych.

Dodatkowo, warto podkreślić, że niedomieszkowane warstwy diamentowe otrzymywane metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej (HF CVD) mogą znaleźć zastosowanie nie tylko w kontekście wody, ale także jako zaawansowane czujniki gazowe, np. do wykrywania dwutlenku węgla (CO₂). Taka możliwość poszerza spektrum zastosowań diamentowych struktur sensorowych, uczynić je uniwersalnym narzędziem monitorującym różne aspekty naszego środowiska, co jest niezwykle ważne w kontekście rosnących wymagań ekologicznych i potrzeb ochrony zdrowia ludzi. Wykorzystanie diamentu w takich technologiach otwiera nowe drzwi dla innowacji, podnosząc standardy bezpieczeństwa i ochrony środowiska.

Rys. 2. Niedomieszkowane warstwy diamentowe przy równej zawartości procentowej oparów metanolu (UNCD4-4%, UNCD5-5%, UNCD6-6%, UNCD7-7%)

Zapraszamy do kontaktu wszystkie zainteresowane podmioty, aby wspólnie przyczynić się do rozwoju nowoczesnych technologii, które mają realny wpływ na poprawę jakości życia i ochronę środowiska. Współpracując, możemy osiągnąć więcej i szybciej wprowadzać innowacje, które sprostają wyzwaniom współczesnego świata.

dr Lidia Mosińska

Uniwersytet Kazimierza Wielkiego w Bydgoszczy

Wydział Fizyki

tel: 792025830

e-mail: lidiamosinska@ukw.edu.pl