"FUNCTIONALIZAREA IN PLASMA A NANOWALL-URILOR DE CARBON PENTRU CONTROLUL SUPERHIDROFOBIEI SI AL ATASARII NANOPARTICULELOR SI ENTITATILOR BIOLOGICE"
TE_228

---

 

Contract de cercetare: 92/2010, cod Proiect TE_228
Director de proiect : Dr. Sorin Vizireanu, s_vizi@infim.ro

 

Unitate contractanta: Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamantului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii (UEFISCDI)

 

Institutii implicate in proiect:

Institutul National de Fizica Laserilor, Plasmei si Radiatiei (INFLPR)
Laboratorul de Plasma de Temperatura Joasa
Grupul Procese in Plasma pentru Materiale Functionale si Suprafete

 

Tematica si obiectivele specifice

Intre materialele cu potential ridicat pentru dezvoltarea domeniilor nano,  carbonul este cel mai reprezentativ. Pentru intelegerea termenului de carbon nanostructurat (NC) trebuie sa precizam diferenta dintre nanostructurile de carbon si materialele carbonice nanostructurate. La scala nanometrica, formele de carbon nanostructurat sunt de urmatoarele tipuri: fullerene, nanofibre de carbon (CNF), nanotuburi de carbon (CNT) (cu un singur sau mai multi pereti), nanostraturi/fulgi de grafene, nanowalls-uri de carbon (CNWs) [1] . In schimb, la scala micrometrica, aceste nanostructuri se pot prezenta ca fiind strans interconectate unele cu altele sau / si cu substratul utilizat, formand ceeea ce cunoastem sub numele de material carbonic nanostructurat. In functie de aplicatii, studiile se pot concentra pe nanostructuri individuale (scala nanometrica) sau pe materialul nanostructurat (scala nanometrica si micrometrica).  In ultimii ani, o atentie deosebita s-a acordat materialelor carbonice asamblate din nanostructuri bidimensionale (carbon nanowalls-CNWs, nanopereti de carbon), ca cel mai nou membru al familiei materialelor carbonice nanostructurate. Nanowall-urile de carbon sunt reprezentate ca o retea interconectata de nanostructuri bidimensionale lamelare [1] asezate perpendicular pe substrat, formate din nano-domenii cristaline grafitice suprapuse. Caracteristicile specifice CNW-urilor le recomanda pentru aplicatii de inalta tehnologie. Astfel, cercetarile recente in domeniu prezinta nanowall-urile ca materiale eficiente pentru emisia de camp la tensiuni scazute [2], pentru realizarea de suprafete superhidrofobe [3], ca materiale pentru senzori de gaze, template-uri si suporti pentru catalizatori [1, 4] si membrane pentru celulele de combustie [5].
Echipa proiectului face parte dintr- un grup de cercetare din cadrul Institutului National pentru Fizica Laserilor, Plasmei si Radiatiei care s-a afirmat prin elaborarea unei proceduri originale de sintetizare a nanostructurilor de carbon, in special a carbon nanowalls-urilor [6, 7]. Aceasta face apel la combinarea a doua tehnici de depunere din plasma intr-un singur reactor: pulverizarea magnetron pentru activarea catalitica a substratului si depunerea chimica din faza de vapori asistata de un fascicul de plasma pentru cresterea materialului carbonic. In cadrul proiectului vom utiliza plasma ca instrument de lucru. Modificarea indusa de plasma a devenit una din cele mai folosite tehnici de tratament a nanomaterialelor [8] , deseori superioara fata de alte tehnici bazate pe chimia umeda (cu lichide) sau pe cea uscata care utilizeaza gaze neutre. Astfel, folosind plasma se pot realiza activarea, functionalizarea, purificarea si separarea/dezaglomerarea nanostructurilor carbonice.
Proiectul de fata urmareste dezvoltarea de tehnici de functionalizare in plasma a CNW in scopul promovarii superhidrofobiei, al controlului atasarii de nanoparticule sau de entitatilor biologice de acest material. Superhidrofobia, atasarea de nanoparticule, atasare entitatilor biologice (biomolecule, celule, microrganisme) la carbonul nanostructurat reprezinta teme majore ale cercetarii actuale din nanostiinta si nanotehnologie.
Proiectul propune un studiu al interactiei celulelor cu materialele nanostructurate, cu accent pe interactia cu nanowall-uri de carbon. Acest studiu va lua in considerare gradul de nanstructurare si natura chimica a suprafetei. Gradul de nanostructurare se va controla prin metoda de sinteza a materialului iar chimia suprafetei se va controla prin functionalizare in plasma in scopul aditiei de radicali amino si carboxil. Concluziile privind aceasta interactie se vor obtine in urma investigatiilor biologice, care se vor realiza pe linii celulare stabilizate, prin teste de evaluare a metabolismului energetic celular (testul MTT ndash; 3-(4,5-dimetiltiazol-2-il)-2,5-difeniltetrazoliu), si prin examinari ale morfologiei celulelor cu microscopul optic si microscopul electronic cu baleiaj.
Scopul general al proiectului este elaborarea unor tehnici de procesare cu plasma a materialelor nanostructurate si obtinerea, prin utilizarea acestor tehnici, a unor materiale nanostructurate functionale bazate pe nanowalls-uri de carbon.
Cercetarile vor fi focalizate pe tratarea in plasma a CNW in vederea utilizarii si integrarii acestui material in aplicatii de superhidrofobie, realizarea de senzori, materiale nanoporoase catalitice si plaftorme/arhitecturi pentru biologie.
Scopul general al proiectului este elaborarea unor tehnici de procesare cu plasma a materialelor nanostructurate si obtinerea, prin utilizarea acestor tehnici, a unor materiale nanostructurate functionale bazate pe nanowalls-uri de carbon. Cercetarile vor fi focalizate pe tratarea in plasma a CNW in vederea utilizarii si integrarii acestui material in aplicatii de superhidrofobie, realizarea de senzori, materiale nanoporoase catalitice si plaftorme/arhitecturi pentru biologie.
            In mod specific tema de cercetare propusa urmareste atingerea urmatoarelor obiective stiintifice concrete: 
A) - Functionalizarea in plasma a nanowalls-urilor de carbon in scopul realizarii de suprafete superhidrofobe;
B) - Functionalizarea nanowalls-urilor in vederea controlului atasarii nanoparticulelor metalice;
C) - Functionalizarea nanowalls-urilor de carbon in vederea atasarii/grefarii de grupari functionale pentru controlul cresterii celulare.

Figura 1: Imagine SEM a CNW, in dreapta sus imagine a picaturii de apa ( unghi de contact de 150	Figura 2: Diagrama instalatie de depunere a CNW

Originalitatea proiectului se bazeaza in primul rand pe noutatea materialului ce urmeaza a fi functionalizat cu plasma. Acest material, obtinut si caracterizat de noi recent [7, 8], prin combinarea pulverizarii magnetron pentru activarea catalitica (catalizator: Ni, Fe) a substratului cu depunerea chimica a carbonului din faza de vapori (precursor acetilena, in amestec cu hidrogen) asistata de jet de plasma de radiofrecventa este accesibil unui numar redus de grupuri de cercetare din lume. Ca urmare, procedurile de functionalizare a nanowall-urilor de carbon sunt pana la aceasta ora studiate de foarte putine grupuri de cercetare si nu au mai fost abordate in tara. Instalatia folosita la sintetizarea CNW , este un echipament performant, realizat anterior prin conceptie proprie in laboratoarele INFLPR, si modernizat la cel mai inalt nivel prin completare si dotare succesiva cu elemente de automatizare, control si monitorizare. Echipamentul (figura 1) consta dintr-o camera de reactie cu plasma din otel inoxidabil, pe care sunt montate o sursa generatoare de plasma de radiofrecventa si o sursa de pulverizare magnetron, orientate catre acelasi substrat. Configuratia permite expunerea secventiala sau simultana a substratului la cele doua surse de plasma, asigurand activarea cu metal catalitic si cresterea materialui carbonic.
Abordarea preconizata, functionalizarea cu plasma este si ea inovativa. Folosirea unor plasme de temperatura joasa la modificarea proprietatilor fizico - chimice a CNW este de preferat, avand ca avantaje neimplicarea de particule energetice care sa induca modificari severe asupra suprafetei. Plasmele de temperatura joasa au in schimb un continut bogat in radicali activi chimic (atomici, moleculari), rezultati din disocierea prin ciocnire electronica a moleculelor gazelor introduse in descarcarea electrica de radiofrecventa care genereaza plasma. Prin abordarile experimentale propuse mai jos functionalizarea CNW va putea fi realizata in timpul procesului de sinteza a CNW sau dupa aceasta, folosindu-se tratamente postsinteza de activare si incorporare in plasma de grupari functionale sau de nanoparticule metalice. Caracteristicile fizice si chimice ale materialului rezultat in urma functionalizarii si aplicatiile vizate sunt si ele de maxim interes stiintific si tehnologic.

Bibliografie:
1. Y. Wu, B. Yang, B. Zong, H. Sun, Z. Shen, Y. Feng, J. Mater. Chem., 14, 469 -477, 2004
2. A.Malesevic, R. Kemps, A.Vanhulsel, M P. Chowdhury, A. Volodin, C. van Haesendonck, J. Appl. Phys., 104, 084301, 2008 
3. X. Xiao, Y. T. Cheng, B. W. Sheldon, J. Rankin, Journal of Materials Research 23, 8, 2174-2178, 2008
4. Young Joon Hong, Hye Seong Jung, Jinkyoung Yoo, Yong-Jin Kim, Chul-Ho Lee, Miyoung Kim, and Gyu-Chul Yi, Adv. Mater., 21, 222-226, 2009
5. L. Giorgi, Th. Dikonimos Makris, R. Giorgi, N. Lisi and E. Salernitano, Sensors and Actuators B: Chemical, Vol 126, p 144-152, 2007
6. A. Malesevic, S. Vizireanu, R. Kemps, A. Vanhulsel. C. van Haesendonck , G. Dinescu, Carbon 45, 2932-2937, 2007
7. S. Vizireanu, L. Nistor, M. Haupt, V. Katzenmaier, C. Oehr, G. Dinescu, Plasma Processes and Polymers, Volume 5, Issue 3, 263-268, 2008
8. K. Ostrikov, Rev. Mod. Phys. 77, 489, 2005

 

Lista membrilor echipei de cercetare in cadrul proiectului:

• Dr. Vizireanu Sorin - Director proiect
• Dr. Stancu Elena-Claudia
• Dr. Ionita Eusebiu-Rosini
• Dr. Stoica Silviu-Daniel

 

Planul de lucru. Obiective si activitati (stiintifice si complementare)

Etapa I. Obtinerea de straturi de nanowall-uri de carbon functionalizate cu plasme floururate . Studiul proprietatilor de udare a suprafetelor straturilor de CNW functionalizate in relatie cu morfologia, nano-rugozitatea, compozitia chimica induse de tratamentul cu plasma
Termen: 2010
Etapa II. Sinteza de straturi de nanowall-uri de carbon decorate cu nanoparticule metalice, Studiul atasamentului nanoparticulelor de nanostructurile carbonice
Termen: Decembrie 2011
Etapa III. Sinteza, paternarea si functionalizarea nanowalls-urilor de carbon pentru interactia cu celule. Studiul capacitatii de atasare celulara pe suprafete de CNW si CNW functionalizate
Termen: Decembrie 2012
Etapa IV. Evaluarea potentialului de integrare a tehnicilor de functionalizare in plasma si a materialului CNW in aplicatii
Termen: Iulie 2013

 

Diseminarea rezultatelor prin comunicari: Lucrari ISI; Lectii invitate; Proceedings in extenso la conferinte internationale; prezentari poster in cadrul conferintelor internationale

Lucrari stiintifice in reviste cotate ISI:

1. S. Vizireanu, M. D. Ionita, G. Dinescu, I. Enculescu, M. Baibarac, I. Baltog, Post-synthesis Carbon Nanowalls Transformation under Hydrogen, Oxygen, Nitrogen, Tetrafluoroethane and Sulfur Hexafluoride Plasma Treatments, Plasma Processes and Polymers, 9, 363, 2012

2. S. Vizireanu, B. Mitu, C.R. Luculescu L.C. Nistor, G. Dinescu, PECVD synthesis of 2D nanostructured carbon material, Surface and Coatings Technology, 211, 2, 2012

3. M Teodorescu, M Bazavan, E R Ionita, G Dinescu, Characterization of an argon radiofrequency plasma jet discharge continuously passing from low to atmospheric pressure, Plasma Sources Sci. Technol. 21, 055010, 2012

4. Z. Gonzalez, S. Vizireanu, Gheorghe Dinescu, C. Blanco, R. Santamaria, Carbon Nanowalls thin films as nanostructured electrode materials in Vanadium Redox Flow Batteries, Nano Energy, 1, 833, 2012

5. A. Achour, B. Belkerk, K. A. Aissa, S. Vizireanu, E. Gautron, M. Carette, P-Y. Jouan, G. Dinescu, L. Le Brizoual, Y. Scudeller, M-A. Djouadi, Thermal properties of carbon nanowalls layers measured by pulsed photothermal technique, Applied Physics Letters, 102, 061903, 2013

6. S. Vizireanu; A. Lazea Stoyanova; M.. Filipescu; D. Cursaru; G. Dinescu, Carbon nanowalls as suitable layers for lubricity improvement, Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures, acceptat spre publicare iulie 2013.

 

Proceedings in extenso la conferinte internationale:

1. B. Mitu, S. D. Stoica, S. Vizireanu, Plasma deposition of carbon-based materials: diagnostic studies , 2 pag. proceedings ESCAMPIG XXI, Portugal, July 10-14, TL7, 2012

2. Vizireanu S.; Stoica S.D.; Mitu B.; Lazea A.; Dinescu G.; Dependence of Carbon Nanowalls quality upon plasma and substrate conditions ; 3 pag.; proceedings Conferinta Carbon, Poland, June 17-22, 2012

3. Z. González; Vizireanu S.; Dinescu G.; Roldán S; Blanco C.; Santamaría R.; Carbon Nanowalls as active electrode materials in. Vanadium Redox Flow Batteries ; 4 pag.; proceedings Conferinta Carbon, Poland, June 17-22, 2012

 

Prezentari orale la conferinte internationale:

1. "Plasma jet treatment of carbon nanowalls layers", S. Vizireanu, S.D. Stoica, M. D. Ionita, A. Lazea Stoyanova, L. Nistor, G. Dinescu,  16 ^th International Conference on Plasma Physics and Applications, Magurele, Romania, 20-25.06.2013

2. “Carbon nanowalls: plasma synthesis, properties and application, S. Vizireanu, S. D. Stoica, E.C. Stancu,  B. Mitu, G. Dinescu,.Diaspora in Cercetarea Stiintifica si Invatamantul Superior, 25-28/10/2012, Bucuresti, Romania

3. "Carbon Nanowalls as active electrode materials in Vanadium Redox Flow Batteries Carbon for Energy Storage", autori Z. Gonzalez, S. Vizireanu, G.Dinescu, S. Roldan, C. Blanco, R. Santamaria, Carbon 2012, Krakowia, Polonia, 17.06.2012 -22.06.2012

4. "Hybrid Nanostructures Based on Aluminium Nitride and CNTs /CNWs as Thermal Interface Materials Carbon–based Composites and Nanocomposites" A. Achour, B. Belkerk, K, S. Vizireanu, J-F. Colomer, M. Carrette, P-Y. Jouan, G. Dinescu, L. Le Brizoual, Y. Scudeller and M-A. Djouadi,  Carbon 2012, Krakowia, Polonia, 17.06.2012 -22.06.2012

5.“Modifications of Carbon nanowalls by Plasma Treatment” autori: S. Vizireanu, S. D. Stoica, E.C. Stancu, B. Mitu, G. Dinescu, The 8th General Conference of Balkan Physical Union, Universitatea Ovidius din Constanta, Romania, 5–7/07/2012, (5 iulie 2012, locatie E8, sectiunea Plasma Physics)

 

Prezentari tip poster la conferinte internationale:

16 ^th International Conference on Plasma Physics and Applicatio ns:, Magurele, Romania, 20-25/06/2013
-The influence of nozzle dimensions upon the carbon nanowalls obtained by RF plasma jet,  S.D. Stoica, S. Vizireanu, B. Mitu, M. Bazavan, G. Dinescu
-Femtosecond laser processing of carbon nanowalls thin films deposited by radiofrequency plasma jet , I. Anghel, M. Zamfirescu, S.D. Stoica, M.D. Ionita, S. Vizireanu, G. Dinescu
-Response of malignant cells to the presence of carbon nanowalls structures, E.C. Stancu, S. Vizireanu, A.M. Stanciuc, L. Moldovan, G. Dinescu.

Third International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials, Sorento, Italia, 3-7/3/2013
Decoration of carbon nanowalls with metal nanoparticles for hybrid electrodes in electrochemistry, S. Vizireanu, A. Stoyanova, S.D. Stoica, L. Nistor, G. Dinescu

E-MRS Strasbourg-Franta, 14-18/05/ 2012:
-Stability of carbon nanowalls against chemical attack with acid solutions, autori: S. Vizireanu, G. Dinescu, L.C. Nistor, G. Ruxanda, M. Stancu, D. M. Ciuparu.
-Functionalization of carbon nanowalls surfaces for interaction with biological cells, autori: E.C. Stancu, A.M. Stanciuc, S. Vizireanu, L. Moldovan, G. Dinescu
-Nanoparticle -Nanowire Interface Influence on ZnO Nanostructure Luminescence Shifting, autori: A.Marcu, R.Zamani, I.Enculescu, S.Vizireanu, J.R.Morante, R.Birjega, C.P. Lungu, C.Grigoriu, J.Arbiol.

Carbon 2012, Krakowia, Polonia, in perioada 17-22/06/2012:
-Dependence of Carbon Nanowalls quality upon plasma and substrate conditions, autori: S. Vizireanu, S.D. Stoica, B.Mitu, A. Lazea, G. Dinescu,

13th International Conference on Plasma Surface Engineering Garmisch, Germania, 10-14/09/ 2012
-Plasma functionalization of carbon nanowalls, S. Vizireanu, S. D. Stoica, A.Lazea, E. C. Stancu, L. Nistor, G. Dinescu.

European Materials Reasearch Symposium, E-MRS 2011, Nisa, France, 8-15/05/2011
-Super-hydrophobic/super-hydrophilic layers of carbon nanowalls obtained by post-synthesis plasma treatments, S. Vizireanu, M.D. Ionita, E.R. Ionita, I. Enculescu, B. Mitu, G. Dinescu

ImageNano 2011 on Nanoscience & Nanotechnology Energy, Bio/medicine, Optics, Graphene, Bilbao, Spania, 11-14/04/2011
-Carbon nanowalls functionalization for controlling the metallic nanoparticles attachment, S. Vizireanu , S. D. Stoica, B. Mitu, L. Nistor, G. Dinescu

NT11 International Conference on the Science and Application of Nanotubes”,  Cambridge, United Kingdom, 10-16/07/2011
-Plasma post-synthesis treatment of carbon nanowalls and their characteristics, S. Vizireanu, S Stoica, E. Stancu, B. Mitu, C. R. Luculescu, L. Nistor, G. Dinescu