Syntéza zlatých nanočástic

Studenti Biskupského gymnázia ve Žďáru nad Sázavou, Jakub Drahotský a Josef Poul, se na konci školního roku 2010/2011 zúčastnili stáže na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské. Jejich tutor ing. Filip Novotný jim navrhnul téma „Příprava zlatých nanočástic ve vodném prostředí a studium jejich fyzikálně‑chemických jevů“. Vlastní experiment provedli v listopadu minulého roku. Svou práci prezentovali v rámci projektu Junior Tech University 16. 12. 2011 na půdě Technické knihovny v Praze. Stáž se jim do té míry zalíbila, že zahájili její druhou část s tím, že se hodlají zúčastnit soutěže SOČ. S výsledky své práce se rozhodli rozdělit i se čtenáři 3pólu. „Vařili jsme zlaté nanočástice a poté jsme zkoumali jejich optické vlastnosti na spektrofotometru,“ shrnují projekt autoři článku.

Než jsme se pustili do experimentu, prostudovali jsme děje, které probíhají při syntéze zlatých nanočástic i různé způsoby jejich přípravy. Na doporučení tutora jsme nakonec vybrali tzv. Turkevichovu metodu přípravy zlatého solu, která se zakládá na redukci zlatitých iontů pomocí citrátu ve vodném roztoku za teploty varu.

Stručně řečeno, jde o metodu, kdy zlaté nanočástice vznikají koagulací zlatých iontů a následným přerůstáním zlatých klastrů, které se po určité době rozpadají na stabilnější částice o dané velikosti. Jako zdroj zlatých iontů sloužila kyselina tetrachlorzlatitá. Tato metoda patří mezi jednu z těch robustnějších, což ji činí velice přístupnou začátečníkům v koloidní chemii.

Vaření a měření na absorpčním spektrofotometru

Během syntézy (vaření) jsme odebírali v různých časových intervalech vzorky roztoku a měřili je na absorpčním spektrofotometru.

Absorpční spektrofotometr je přístroj měřící úbytek světla při průchodu vzorkem. Výsledkem jeho měření je absorpční spektrum – úbytek procházejícího světla v závislosti na konkrétních vlnových délkách.

Co je lokalizovaná povrchová plazmonová rezonance

Přestože šlo o zlato, měl roztok, který jsme připravili, tmavě červenou barvu. K základnímu pochopení tohoto jevu nám postačila elektrostatická teorie: dopadající světelná energie působí na volné elektrony na kovové zlaté nanočástici tak, že se toto „moře“ elektronů (korektněji elektronový plyn) snaží vyrušit elektrické pole uvnitř částice. Tento protipohyb je u zlatých nanočástic nejsilnější při frekvenci, kterou má zelené světlo. Ta je nejvíc absorbována, a proto z bílého světla zůstane po průchodu roztokem červená barva. Tento zjednodušeně popsaný jev se nazývá lokalizovaná povrchová plazmonová rezonance. Tato rezonance způsobuje velice zajímavé optické i chemické vlastnosti nanoobjektů.

Stručně o nanotechnologiích

O nanotechnologiích se dnes velmi diskutuje. Málokdo si přitom uvědomuje, co všechno tento pojem zahrnuje.

Nanověda je nauka o materiálech o rozměrech v řádu nanometrů, způsobech přípravy a chemicko‑fyzikálních vlastnostech takových objektů. Nanotechnologie se pak zabývá aplikačními možnostmi těchto objektů. U částic nanometrových rozměrů se objevují nové, velmi zajímavé vlastnosti, jako je například velmi výrazná změna teploty tání kovu v podobě nanočástic oproti makroskopické látce. Také supravodivost takových materiálů se v současnosti velmi intenzívně zkoumá po celém světě. Do výzkumu nanotechnologií se proto investují nemalé finanční prostředky.

Zlaté nanočástice nacházejí již dnes velmi bohaté využití

Oprava elektrických obvodů – v mikroelektronice se využívá koloidní zlato k opravě poškozených spojů citlivých na teplo. Kdyby se totiž obvod zahřál na příliš vysokou teplotu, nevratně by se poškodil. Jednou z předností zlatých nanočástic je velmi nízká teplota tání oproti makroskopickému stavu (okolo 200 stupňů Celsia). Roztok Au se tedy nanese na spoj, zahřeje se na bezpečnou teplotu, zlato se roztaví a obvod se tím obnoví.

Čištění vody – halogenderiváty, které tvoří základní složku pesticidů, se v přítomnosti zlatých nanočástic mineralizují, rozkládají se na látky, které potom lze z vody odstranit.

Zobrazovací metody v medicíně –povrch zlatých nanočástic je možné opatřit látkami, které se při kontaktu se žádanými buňkami přichytí na jejich povrch. Buňky pak můžeme pozorovat díky vysokému rozptylu světla zlatých nanočástic.

Naše práce se soustředila zejména na přípravu zlatých nanočástic různých tvarů a velikostí a jejich výzkum.

---

Jak ke stáži přijít

Když naši školu před dvěma lety navštívili zástupci ČVUT v Praze, měli jsme spoustu otázek. To byl asi také hlavní důvod, proč nám ČVUT dalo možnost stáže. Jediné, co jsme museli udělat, bylo vybrat si fakultu, téma a napsat motivační dopis. Po pár měsících jsme dostali kladnou odpověď, se zástupcem ČVUT jsme vymysleli téma a našli vhodného tutora stáže. Poté už následovalo studium literatury a první pokus, který jsme pak zpracovali v rámci prezentace na půdě Technické knihovny v Praze.

Stáž nám umožnila představit si, jak vypadá a co obnáší věda, dozvědět se více o fakultě, studiu na ní a hlavně pochopit nanotechnologie jako takové. Na stáže bychom chtěli navázat studiem podobného tématu na vysoké škole.