Reduktion af ionbytterpartikler til nanostørrelse viser et stort potentiale

Nogle gange er større ikke bedre. Forskere ved det amerikanske energiministeriums Savannah River National Laboratory har med succes vist, at de kan erstatte nyttige små partikler af mononatriumtitanat (MST) med endnu mindre partikler i nanostørrelse, gør dem endnu mere anvendelige til en række applikationer.

MST er et ionbyttermateriale, der bruges til at dekontaminere radioaktive og industrielle spildevandsopløsninger, og har vist sig at være en effektiv måde at levere metaller ind i levende celler til nogle typer medicinsk behandling. Typisk, MST, og en modificeret form kendt som mMST udviklet af SRNL og Sandia National Laboratories, er i form af fine pulvere, sfærisk formede partikler med en diameter på ca. 1 til 10 mikrometer.

"Ved at gøre hver partikel mindre, " siger Dr. David Hobbs fra SRNL, leder af forskningsprojektet, "du øger mængden af ​​overfladeareal, sammenlignet med partiklens samlede volumen. Da partikeloverfladen er der, hvor reaktioner finder sted, du har øget MST's arbejdsområde." en 10 nanometer partikel har et forhold mellem overfladeareal og volumen, der er 1000 gange større end en 10 mikron partikel. Dermed, dette projekt søgte at syntetisere titanatmaterialer med partikelstørrelser på nanoskala (1-200 nm). Efter succesfuld syntetisering af titanater i nanostørrelse, holdet undersøgte og fandt ud af, at de mindre partikler faktisk udviser gode ionbytteregenskaber. De tjener også som fotokatalysatorer til nedbrydning af organiske kontaminanter og er effektive platforme til levering af terapeutiske metaller.

Dr. Hobbs og hans partnere i projektet undersøgte tre metoder til fremstilling af partikler i nanostørrelse, resulterer i tre forskellige former. Den ene er en sol-gel metode, svarende til den proces, der bruges til at fremstille "normale" MST-partikler i mikronstørrelse, men ved at bruge overfladeaktive stoffer og fortyndede koncentrationer af reaktive kemikalier til at kontrollere partikelstørrelsen. Denne metode resulterede i sfæriske partikler omkring 100 – 150 nm i diameter.

En anden metode startede med typiske mikronstore partikler, derefter delaminerede og "lukkede" dem op for at producere fibrøse partikler omkring 10 nm i diameter og 100 - 150 nm lange. Den tredje metode, som tidligere var blevet rapporteret i den videnskabelige litteratur, var en hydrotermisk teknik, der producerede nanorør med en diameter på omkring 10 nm og længder på omkring 100 -500 nm.

Teamet havde betydelig ekspertise i at arbejde med MST, har tidligere modificeret det med peroxid til dannelse af mMST, som udviser forbedret ydeevne til at fjerne visse forurenende stoffer fra radioaktivt affald og levere metaller til medicinsk behandling. Nanostørrelse MST produceret ved alle tre metoder blev med succes omdannet til den peroxidmodificerede form. Som med titanater i mikronstørrelse, de peroxidmodificerede titanater i nanostørrelse udviser en gul farve. Intensiteten af ​​den gule farve virkede mindre intens med de hydrotermisk producerede nanorør, antyder, at nanorørets kemisk resistente overflade kan begrænse omdannelsen til mMST.

Test bekræftede, at materialerne fungerer som effektive ionbyttere. For eksempel, de sfæriske nanoMST- og nanorørprøver og deres respektive peroxidmodificerede former fjerner strontium og actinider fra alkalisk højaktivt affaldsradioaktivt affald. Under svagt sure forhold, titanaterne i nanostørrelsen og peroxotitanaterne fjernede mere end 90 % af 17 forskellige metalioner.

De "ulåste" titanater og deres peroxidmodificerede former viste sig at være særligt gode fotokatalysatorer til nedbrydning af organiske forurenende stoffer.

Screening in vitro-tests viste, at både nano- og mikron-størrelse metal-udvekslede titanater hæmmer væksten af ​​en række orale cancer- og bakteriecellelinjer. Hæmningsmekanismen er ikke kendt, men foreløbige scanningselektronmikroskopiresultater tyder på, at titanaterne kan interagere direkte med kernens væg for at levere tilstrækkelig metalionkoncentration til cellekernen til at inhibere cellereplikation.