Ανάπτυξη και εφαρμογές υβριδικών κεραμικών νανοϋλικών βιομημιτικά παραγόμενων μέσω μήτρας υπερδιακλαδισμένων πολυμερών

Abstract

The aim of this thesis is to synthesize and study well defined, hybrid, organic -inorganic, multifunctional core-shell nanomaterials that exhibit catalytic and antibacterial properties. These materials comprise a metallic nano-core which is surrounded by a silica nano-shell or a silica core decorated with silver and silver/cerium oxide nanoparticles. The biomimetic synthesis of the core and the shell is accomplished by employing a dendritic polymer, hyperbranched poly(ethylene)imine and a linear polymer poly(ethylene)glycol. The samples were examined by Scanning Electron Microscopy, Transmission Electron Microscopy, X-ray diffraction analysis, ζ-potential analysis, Fourier Transform Infrared Spectroscopy and Ultraviolet-visible Spectroscopy. The measurements that were conducted in order to assess the potential of these materials to act as catalytic compounds for moder reactions (nano-powders, coatings of porous substrates such as filter paper) of aqueous pollutants and as antibacterial agents are also presented. The samples included core-shell poly(ethylene)imine-silver- silica nano-powders (Ag@SiO2), a poly(ethylene)imine core - shell silica-silver colloid (SiO2@Ag), core-shell silica - silver nano-powders (SiO2@Ag/Ag2CO3/ Ag3PO4) and a poly(ethylene)glycol suspension of silica – silver-cerium oxide nanoparticles (SiO2@Ag/CeO2). The results obtained by this analysis confirmed the synthesis of reusable catalytic compounds that allow the complete reduction of 4-nitrophenol to 4-aminophenol with excess sodium borohydride within an hour. Moreover, these compounds exhibited antibacterial activity Gram-negative and/or Gram-positive bacteria based on their structure and composition.

Ο στόχος της παρούσας διατριβής είναι η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός υβριδικών οργανικών/ανόργανων πολυλειτουργικών νανοϋλικών πυρήνα-κελύφους, τα οποία διαθέτουν καταλυτικές και αντιβακτηριακές ιδιότητες. Τα υλικά αυτά αποτελούνται από ένα μεταλλικό πυρήνα αργύρου και ένα περίβλημα πυριτίας ή από έναν αδρανή πυρήνα διοξειδίου του πυριτίου στον οποίο ενσωματώνονται νανοσωματίδια αργύρου ή νανοσωματίδια αργύρου δημητρίας. Το υπόστρωμα αλλά και το κέλυφος των υλικών αυτών παράγονται βιομιμητικά σε πολυμερική μήτρα, με κύριο πολυμερές την υπερδιακλαδισμένη πολυ(αιθυλεν)ιμίνη και εναλλακτικά την γραμμική πολυ(αιθυλενο)γλυκόλη. Ο χαρακτηρισμός των υλικών πραγματοποιήθηκε μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης, ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διερχόμενης δέσμης, φασματοσκοπίας ορατού – υπεριώδους, φασματοσκοπίας υπερύθρου μέσω μετασχηματισμού Fourier, περίθλασης ακτίνων-Χ και το επιφανειακό φορτίο των υλικών εξετάστηκε μέσω ανάλυσης ζ-δυναμικού. Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται επίσης οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν με στόχο την αξιολόγηση των καταλυτικών ιδιοτήτων για πρότυπες αντιδράσεις οργανικών ρύπων αλλά και των αντιμικροβιακών ιδιοτήτων των υλικών αυτών είτε σε μορφή κόνεως είτε ως επικάλυψη σε πορώδη υποστρώματα όπως το χαρτί. Τα υλικά αυτά περιλαμβάνουν νανοκόνεις υπερδιακλαδισμένης πολυ(αιθυλεν)ιμίνης – αργύρου- πυριτίας (Ag@SiO2), νανοκόνεις πυρήνα – κελύφους υπερδιακλαδισμένης πολυ(αιθυλεν)ιμίνης – πυριτίας αργύρου (SiO2@Ag/Ag2CO3/ Ag3PO4), αιωρήματα υπερδιακλαδισμένης πολυ(αιθυλεν)ιμίνης – πυριτίας αργύρου (SiO2@Ag) και αιωρήματα πολυ(αιθυλενο)γλυκόλης – πυριτίας αργύρου/δημητρίας (SiO2@Ag/CeO2). Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης επιβεβαίωσαν τη σύνθεση αποδοτικών και επαναχρησιμοποιούμενων καταλυτών που οδηγούν στην ολοκλήρωση της αντίδρασης αναγωγής της 4-νιτροφαινόλης σε 4-αμινοφαινόλη παρουσία περίσσειας βοροϋδριδίου του νατρίου σε λιγότερο από 1h. Τέλος, τα υλικά αυτά εμφανίζουν αντιμικροβιακή δράση έναντι Gram-αρνητικών βακτηρίων ή/και Gram-θετικών βακτηρίων ανάλογα με τη δομή και τη σύστασή τους.