UNIVERZITET U BEOGRADU
TEHNOLOŠKO-METALURŠKI FAKULTET
NAUKA O MATERIJALIMA
- Modifikacija celuloznih materijala nanočesticama -
Nemanja Aleksić
3162/2013
Beograd, septembar 2014.
Sadržaj
1. Šta je nanotehnologija?........................................................................................................3
2. Definicija i područje rada (obim, polje rada).........................................................................5
3. Nanočestice: fizička i hemijska svojstva............................................................................... 8
4. Pregled metoda formiranja nanočestica...............................................................................9
4.1 Formiranje nanočestica u tečnoj fazi................................................................................9
4.2 Formiranje nanočestica suspendovanih u gasnoj fazi...................................................10
5. Nanoceluloza...................................................................................................................... 11
6. Modifikacija magnetnih i površinskih svojstava papira nanočesticama..............................15
7. Priprema nanočestica za izradu sigurnosnih papira...........................................................24
7.1 Štampanje skrivenih sigurnosnih QR kodova................................................................24
7.2 Materijal i priprema „mastila“..........................................................................................26
7.2.1 Zeleno up-konvertorsko fluorescentno mastilo.........................................................26
7.2.2 Plavo up-konvertorsko fluorescentno mastilo...........................................................27
7.3 Proizvodnja up-konvertorskih QR kodova......................................................................28
7.4 Up-konvertorski QR kodovi sa zelenim up-konvertorskim fluorescentnim mastilom......28
7.4.1 Debljina nanetog up-konvertorskog mastila (u jednom prelazu)...............................29
7.4.2 Dodavanje bezbednosnih elemenata QR kodovima korišćenjem zelenog i plavog up-
konvertorskog mastila............................................................................................................. 30
7.4.3 Spektroskopska karakterizacija luminiscentnih slika QR kodova.............................32
7.5 Primena sigurnosnih kodova..........................................................................................34
7.6 Test stabilnosti mastila na papiru...................................................................................35
8. Termohromatske boje......................................................................................................... 35
8.1 Osnovni pojmovi i definicije............................................................................................35
8.2 Mehanička svojstva papira i način izrade uzorka..........................................................39
9. Primena nanočestica za postizanje dezinfekcionih svojstava materijala............................47
9.1 Hemijske i fizičke metode za sintezu nanočestica srebra..............................................48
9.2 Primena nanočestica metala..........................................................................................49
9.3 Toksičnost nanočestica..................................................................................................50
Literatura................................................................................................................................. 52
4
(i životnu okolinu uopšte) novim rizicima po zdravlje, potencijalno uključujući potpuno
različite mehanizme dejstva na fiziologiju čoveka i interakcije sa česticama iz životne
sredine. Ovde se javlja mogućnost ispitivanja sudbine ovih nanočestica stvorenih u
nanotehnološkim procesima oslobođenim namerno ili nenamerno u životnu okolinu, kao
i mogućnost ispitivanja toga šta se dešava sa ovim nanočesticama kada dospeju u
direktan kontakt sa radnicima uključenim direktno u proces proizvodnje „nano-
proizvoda“. Od posebne važnosti su oni pojedinci čiji posao od njih zahteva konstantan i
redovan kontakt sa slobodnim nanočesticama. Kada se govori o ovim rizicima po
zdravlje ljudi, centralna tema je svakako evolucija, koja je odredila da ljudska vrsta
razvije mehanizme odbrane od faktora iz životne okoline (bilo živih, bilo neživih)
procesom koji je određen samom prirodom agenasa sa kojima se svakodnevno
srećemo, gde je njihova veličina važan faktor. Izlaganje ljudi nanočesticama koje imaju
svojstva koja nismo prethodno susretali mogu da izazovu reakciju normalnih
odbrambenih mehanizama, povezanih sa npr. imunim i inflamatornim sistemima.
Takođe je moguć i uticaj okruženja na proizvode od nanočestica, u smislu disperzije
(raspršivanja) i opstajanja nanočestica u okruženju. Gde god da je prepoznata
mogućnost za potpuno nov rizik, neophodno je sprovesti intenzivne analize opasnosti,
što može kasnije da se primeni u procesima upravljanja rizikom, ako je neophodno.
Široko je prihvaćeno da rizik povezan sa nanotehnologijom mora da se analizira na ovaj
način.
Brojne međunarodne organizacije (npr. Asia Pacific Nanotechnology Forum 2005),
skupštinska tela unutar Evropske unije (European Commission 2004), nacionalne
institucije (npr. De Jong et al 2005, Roszek et al 2005, US National Science and
Technology Council 2004 (Nacionalni savet nauke i tehnologije u SAD), IEEE 2004, US
National Institute of Environmental Health Sciences 2004 (Nacionalni institut javnog
zdravlja u SAD)), nevladine organizacije (npr. UN-NGLS 2005), istraživačke institucije i
društva znalaca (npr. Institute of Nanotechnology 2005, Australian Academy of
Sciences 2005, METI 2005, UK Royal Society and Royal Academy of Engineering
2004) i pojedinci (npr. Oberdörster et al 2005, Donaldson and Stone 2003) su objavili
izveštaje o trenutnom stanju u nanotehnologiji, najviše skrećući pažnju na potrebu za
detaljnom analizom rizika. Evropski savet je istakao potrebu da se obrati posebna
5
pažnja na moguće rizike tokom životnog ciklusa proizvoda na bazi nanotehnologije, a
Evropska komisija je nagovestila njihovu nameru da rade na međunarodnom nivou kroz
ustanovljavanje mreže zajedničkih principa za bezbednu, održivu, odgovornu i
društveno prihvatljivu upotrebu nanotehnologija.
[1]
2.
Definicija i područje delatnosti (obim, polje rada)
Postoji nekoliko definicija nanotehnologije i nanotehnoloških proizvoda, često pravljenih
za specifičnu upotrebu. Osnovni naučni koncepti nanotehnologije se smatraju
značajnijim od značenja same definicije, te su ti naučni koncepti ovde prvi i razmatrani.
Komitet (Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks, 2006)
smatra da područje rada nano-nauka i nanotehnologija iz Izveštaja Kraljevskog
Udruženja Ujedinjenog Kraljevstva i Kraljevske Inženjerske Akademije iz 2004. godine
(Royal Society and Royal Academy of Engineering 2004) odgovarajuće izražava ove
koncepte. Ovo nam sugeriše da je opseg nano-skale od atomskog nivoa (oko 0,2 nm)
do oko 100 nm. U okviru ovog opsega materijali mogu imati suštinski drugačije osobine
u poređenju sa supstancama koje se sastoje od većih čestica, usled značajno
povećanog odnosa površine prema masi, kao i zbog kvantnih efekata, koji počinju da se
ispoljavaju pri ovim dimenzijama, što vodi ka značajnim promenama u nekolicini fizičkih
svojstava.
Trenutno se koriste različiti termini nanotehnologije u skladu sa skoro objavljenom
Javno Dostupnom Specifikacijom Nanočestičnog Rečnika Britanske Institucije za
Standarde (Publicly Available Specification on the Vocabulary for Nanoparticles of the
British Standards Institution (BSI 2005)), gde su predložene sledeće definicije za glavne
opšte termine:
Nano-skala: jedna ili više dimenzija reda veličine 100 nm ili manja.
Nano-nauke: ispitivanje pojava i manipulacija materijalima na atomskoj, molekulskoj i
makromolekulskoj skali, gde se svojstva razlikuju značajno od onih na većoj skali.
7
neće biti monodisperzan, ali će normalno sadržavati niz čestica različitih veličina. Ovo
čini precizno određivanje parametara nanoskale još težim, posebno kada se razmotre i
doze za toksikološke studije. Ovaj izveštaj često se poziva na ispitivanja izlaganja i
toksikološka ispitivanja u vezi sa česticama i navodi veličinu čestica datu u naučnim
radovima ili u vidu samostalnih brojki (npr. 40 nm) ili opsega (npr. 40 – 80 nm) ističući
da su ovo aproksimacije. Dalje, u nekim situacijama postoji tendencija nanočestica za
agregacijom. Može se smatrati da bi se agregat nanočestica, čija se veličina pre meri
mikronima nego nanometrima, ponašao drugačije nego zasebne nanočestice, no
istovremeno ne postoji razlog zbog kojeg bismo očekivali da će se agregat ponašati kao
jedna velika čestica. Isto, moglo bi se očekivati da će ponašanje nanočestica biti
nezavisno od njihove rastvorljivosti i osetljivosti na razgradnju i da ni hemijski sastav, ni
veličina čestica ne moraju nužno da ostanu konstantni tokom vremena. Uz navedene
definicije i oprezno razmišljanje, jasno je da, sve dok se vodi računa o unutrašnjim
svojstvima (čestica) i rizicima po zdravlje, postoje dva tipa nanostruktura:
1. nanostrukture koje su same slobodne čestice i
2. one gde je nanostruktura integralni deo većeg predmeta (objekta).
U drugoj grupi nalaze se i nanokompoziti, koji su čvrsti materijali kod kojih su prisutne
jedna ili više dispergovanih faza (rastvorenih supstanci) u vidu čestica čija je veličina u
okviru nanoskale, kao i nanokristalna čvrsta tela, kod kojih su zasebni kristali dimenzija
nanoskale. U ovu grupu takođe spadaju predmeti koji imaju određenu topografiju na
površini koja se odlikuje veličinom nanoskale, kao i funkcionalne delove koje imaju
glavne delove nanometarskih dimenzija (ovde primarno spadaju delovi elektronskih
uređaja). Za potrebe medicine, površine se mogu modifikovati pomoću specifičnih
prevlaka napravljenih od nanomaterijala.
Ovaj izveštaj prepoznaje postojanje ovakvih materijala i proizvoda, a takođe i ukazuje
na to da svojstva materijala dimenzija u okviru nanoskale mogu uticati na interakcije sa
živim sistemima. Ipak, iako nauka o interakcijama između bioloških sistema i
nanotopografskih odlika brzo napreduje, malo je poznato o mogućnostima da takve
interakcije izazovu štetne efekte. Rizik bi zavisio od snage prijanjanja za materijal-
