Revista >> Martie 2024 [Nr. 262] >> Cercetare & Invatamant superior

INCDTIM Cluj-Napoca: Tradiție și inovație în nanotehnologie

Dr. Lidia Magerusan, INCDTIM Cluj-Napoca

19 Martie 2024

De la banala mină de creion la sinteza ecologică a grafenelor și dezvoltarea de senzori ultrasensibili

Grafenele, descoperite în mod surprinzător în mina unui creion obișnuit, au devenit o forță în lumea științei și tehnologiei. De la capacitățile uimitoare la versatilitatea în aplicații practice, aceste materiale reprezintă un punct de cotitură în evoluția societăţii. Cu impact semnificativ în cele mai diverse domenii grafenele promit să modeleze un viitor în care inovația și sustenabilitatea merg mână în mână. Prin tradiţie şi inovaţie INCDTIM Cluj-Napoca demonstrează că potenţialul de cercetare din România poate avea un impact semnificativ în domeniul nanotehnologiei. De la dezvoltarea unor practici ecologice de sinteză a grafenelor, la fabricarea de senzori ultrasensibili şi integrarea acestora în aparatură portabilă de detecţie, Institutul demonstrează că potenţialul de a aduce schimbări semnificative şi durabile în viaţa de zi cu zi poate fi realizat cu perseverenţă, creativitate şi angajament.

Banala mină de creion și miracolul grafenului
În contextul tehnologic al secolului XXI parcursul de la lucruri uzuale la inovaţii revoluţionare este adesea surprinzător. Unul dintre cele mai elocvente exemple în acest sens este tranziția de la simpla mină de creion la dezvoltarea grafenelor și modul în care proprietăţile acestora au creat premisele unor aplicaţii cu potențial uriaș în tehnologia modernă. Această evoluție remarcabilă reprezintă o combinație între creativitatea umană și capacitatea de a exploata resursele naturale în mod sustenabil. Grafenul, o structură bidimensională de carbon, a fost teoretizat încă din anul 1947, dar a fost descoperit abia în 2004, în urma unui simplu „exercițiu” de laborator, efectuat de către Andre Geim și Konstantin Novoselov de la Universitatea din Manchester, cărora li s-a decernat premiul Nobel în 2010. De atunci a captat atenția comunității științifice datorită caracteristicelor sale extraordinare. Supranumit ‘materialul minune’ al secolului, grafenul este cel mai subţire dintre toate materialele care există în Univers, fiind de un milion de ori mai subţire decât un fir de păr. Datorită structurii sale şi a grosimii de doar un atom, este aproape transparent, dar mai puternic decât diamantul, de 300 de ori mai rezistent decât oţelul, şi atât de dens încât nici măcar heliul, cel mai mic atom de gaz, nu poate trece prin el. Este cel mai conductor material creat vreodată, fiind mai conductor decât cuprul, şi prezintă o flexibilitate extremă, putând fi întins mai mult decât cauciucul. Interesul pentru grafene a crescut rapid datorită trăsăturile extraordinare care fac posibilă utilizarea lor în nenumărate domenii şi astfel grafitul, acel material umil și modest, a devenit eroul din culise făcând din acest mic bulgăre de carbon un adevărat campion al revoluţiei industriale.

Ecologizarea Sintezei de Grafene
În lumea modernă al cărei cuvânt de ordine este viteza, evoluţia rapidă a materialelor și tehnologiilor este alimentată de inovație și de dorința de a găsi soluții mai eficiente, mai sustenabile și mai durabile pentru problemele contemporane. În mod surprinzător, acum doua decenii, o bandă adezivă și o mină de creion au deschis uși către o nouă eră în tehnologie; iar odată ce grafenele au intrat în sfera aplicațiilor practice a început cursa ştiinţifică alimentată de nevoia producerii acestora. Protocoalele tradiționale de sinteză, prezintă provocări semnificative - implicând tehnici costisitoare și consumatoare de energie, cu impact asupra mediului înconjurător, permiţând obţinerea doar a unor cantități limitate de grafenă, nefiind scalabile pentru aplicații industriale. Într-o societate preocupată tot mai mult de eficienţă, cercetătorii din întreaga lume se străduiesc în permanenţă să găsească soluții inovatoare și ecologice care să satisfacă cerinţele cantitative şi de performanţă. În tot acest context, în cadrul Institutului Naţional de Cercetare Dezvoltare pentru Tehnologii Izotopice şi Moleculare INCDTIM Cluj-Napoca, cercetările privind sinteza şi aplicabilitatea nanostructurilor de carbon au fost iniţiate în anul 2000 de către dr. Alexandru Radu Biriş, dr. Dan Lupu şi ing. Ioan Mişan, care au reuşit o premieră la nivel mondial perfecţionând metoda sintezei nanotuburilor de carbon prin tehnica de depunere chimică din stare de vapori cu încălzire inductivă în reactor cu perete rece (CVD-IH). Preocupările ce vizau grafenele au venit ca o adiţie firească a muncii de pionerat a acestor cercetători pasionaţi, care în anul 2009 au reuşit sinteza de grafene prin folosirea de catalizatori metalici. Odată cu trecerea timpului, ’magia grafenelor’ a stârnit interesul şi a altor cercetători din cadrul Institutului (dr. Stela Maria Pruneanu, dr. Lidia Măgeruşan, dr. Florina Pogacean, dr. Maria Coroş, dr. Crina Socaci, dr. Marcela-Corina Roşu, dr. Diana Lazăr, dr. Maria Miheţ, dr. Codruţa Varodi, dr. Camelia Groşan şi dr. Adriana Vulcu), iar preocupările s-au diversificat atât în ceea ce priveşte metodele de obținere a grafenelor, cât şi aplicaţiile acestora.
Depăşind barierele sintezei chimice, în anul 2016 în INCDTIM un nou trio de cercetători (dr. Lidia Măgerușan, dr. Stela Maria Pruneanu şi dr. Florina Pogacean) a reuşit să inoveze procesul de obţinere al grafenelor cu număr redus de straturi pornind de la exfolierea electrochimică în fază lichidă a grafitului. Prin această abordare s-a explorat ideea optimizării costurilor şi eficienţei procesului de sinteză prin reducerea impactul asupra mediului și minimizarea utilizării substanțelor chimice toxice. Astfel, s-a deschis calea către producția sustenabilă de grafene şi s-a facilitat tranziţia către aplicabilitatea acestora. Comparativ cu abordările precedente, exfolierea electrochimică prezintă avantaje majore deoarece are loc într-o singură etapă, în condiții normale de temperatură şi presiune permițând modelarea proprietăţilor grafenelor obţinute prin simpla ajustare a parametrilor de sinteză (electrolit folosit, curent aplicat, timp de exfoliere). Totodată, în funcţie de mediul electrolit folosit şi de concentraţia acestuia se poate ajusta numărul de straturi de grafenă din materialul final şi se poate realiza doparea ‘in situ’ concomitent cu procesul de exfoliere al grafitului, atât cu heteroatomi (sulf, azot, bor), cât şi cu nanoparticule metalice. Un an mai târziu acelaşi grup de cercetători a reuşit o altă premieră în ceea ce priveşte sinteza de nanocompozite grafene/polimeri prin exfoliere directă a grafitului în soluţie polimerică, metoda dezvoltată fiind ulterior patentată (Brevet de inventie Nr. RO 131442, inregistrat la Oficiul de stat pentru invenţii şi marci, cu titlul: L. Măgeruşan et al. - Procedeu de obtinere a unui nou material nanocompozit cu aplicare în detecţia electrochimică a ionilor de Pb2+). Concomitent, s-a dezvoltat şi brevetat procedeul de obţinere al unui nanocompozit pe bază de grefene şi porfirină (Brevet de inventie Nr. RO 13219631442 Coroș M. et al. - Procedeu de preparare electrochimică a unui nou material compozit pe bază de grafene şi porfirină şi aplicaţia acestuia).

Explorând ideea optimizării procesului de sintez, în 2019 în cadrul grupului s-a dezvoltat şi brevetat un ’Sistem de control continuu, automat al procesului de exfoliere electrochimică a barelor de grafit în pulsuri de curent pentru obținerea grafenelor’ (V. Mirel et al. - Brevet de invenţie Nr. RO 133496). Cel mai important atribut al metodei propuse de echipa INCDTIM este simplitatea acesteia deoarece nu este nevoie de catalizatori, procesul nu sunt implică chimicale costisitoare și este scalabil.

Grafenele - O mină de aur înlumea nanotehnologiei
Particularităţile extraordinare ale grafenelor oferă oportunităţi senzaţionale pentru inovaţie şi dezvoltare într-o varietate de domenii: de la electronică şi senzoristică la aplicaţii de mediu, medicină şi industria farmaceutică, agricultură şi sectorul alimentar. Întrebat care ar reprezenta în opinia lui cea mai promiţătoare aplicaţie a grafenelor, profesorul Geim, părintele grafenelor, a răspuns: „Gama posibilelor utilizări este atât de vastă şi se dezvoltă cu o asemenea viteză încât a ne concentra pe una singură ar însemna să subestimăm amploarea efortului ştiinţific în desfăşurare”. De regulă este nevoie de o perioadă de aproximativ jumătate de secol de la descoperirea unui nou material până la folosirea acestuia în produse destinate publicului larg. Acum, la două decenii de la decoperire, grafenele continuă să fascineze comunitatea ştiinţifică şi încă reprezintă un subiect aprins, oferind o platformă versatilă pentru inovaţie şi dezvoltare. Datorită conductivităţii şi flexibilităţii şi-au găsit aplicabilitate practică fiind integrate cu succes în diverse dispozitive electronice, tranzistori şi circuite integrate. De asemenea s-a demonstrat că pot îmbunătăţi semnificativ performanţa şi durata de viaţă a bateriilor, sporind eficienţa celulelor solare şi a dispozitivelor de stocare a energiei regenerabile. Prin integrare în materiale compozite pot duce la o creştere a rezistenţei, durabilităţii şi conductivităţii, atât electrice, cât şi termice, rezultând în producerea de materiale mai uşoare, mai puternice şi mai rezistente la coroziune care pot fi utilizate cu succes în industria aeronautică, automotive şi construcţii. În sectorul medical s-a explorat potenţialul grafenelor în special în domeniul diagnosticului şi tratamentului cancerului, dar şi pentru imagistică medicală avansată şi transport controlat, la ţintă, al medicamentelor. Datorită sensibilităţii lor ridicate, grafenele sunt folosite cu succes ca platforme de detecţie a gazelor, substanţelor chimice sau biomoleculelor.

Dezvoltarea de senzori ultrasensibili pe bază de grafene în INCDTIM Cluj-Napoca
Prin aplicarea tehnologiilor avansate şi în strânsă colaborare cu alte entităţi de cercetare, INCDTIM Cluj-Napoca continuă să aducă contribuţii semnificative în exploatarea potenţialului extraordinar al grafenelor pentru aplicaţii revoluţionare. În ultimii ani obiectivul echipei a fost centrat pe fabricarea de senzori electrochimici pe bază de grafene şi nanocompozite pe bază de grafene şi dezvoltarea unor protocoale de detecţie rapidă cu aplicabilitate directă într-o varietate de domenii, de la sectorul medical, monitorizarea mediului şi controlul calităţii în industrie. Analiza eficientă, economică și rapidă a aditivilor alimentari și a contaminanților pe tot parcursul lanţului de producţie, distribuţie şi comercializare a produselor; diagnosticul precoce al bolilor printr-un simplu screening neinvaziv al unor markeri hormonali sau tumorali, dar şi un control mai rapid al poluanţilor tradiţionali sau emergenţi din mediu prin dezvoltarea și validarea unor protocoale şi metode de detecţie alternativă este de foarte mare interes şi se înscrie în trendul mondial actual. Pe lângă metodele recunoscute ca metode tradiţionale, electrochimia oferă metode analitice simple și robuste, atractive datorită sensibilităţii ridicate, specificităţii, rapidităţii, costurilor reduse, posibilităţii de miniaturizare şi portabilităţii. Modificarea cu grafene a suprafeţei active a unor electrozi comerciali (electrozi metalici, electrozi de cărbune vitroceramic, electrozi serigrafiaţi) conduce la o îmbunătăţire semnificativă a transferului de sarcină la suprafaţa electrodului şi o creştere considerabilă a ariei active, cu implicaţii directe asupra îmbunătăţirii limitelor de detecţie şi cuantificare.

Pe baza unor astfel de electrozi modificaţi, în cadrul INCDTIM s-au dezvoltat numeroase protocoale de detecţie selectivă pentru o gamă variată de analiţi cu aplicabilitate în monitorizarea mediului (detecţie de pesticide, ioni metalici cu potential toxic, farmaceutice cărora, pe lângă efectul terapeutic, li s-a conferit statutul de poluanţi emergenţi de mediu), biomedicină şi industria farmaceutică (medicamente folosite în mod uzual din clasa antibioticelor şi analgezicelor; disruptori endocrini, markeri tumorali, aminoacizi şi neurotransmiţători indicatori ai stresului oxidativ), dar si industria alimentară pentru cuantificarea aditivilor cu potenţial toxic (coloranţi alimentari sintetici, nitriţi), dar şi a polifenolilor naturali.
Totodată, în cadrul unor contracte de cercetare în colaborare cu mediul economic, s-a realizat integrarea senzorilor pe bază de grafene în arhitecturi electronice complexe destinate detecţiei rapide, eficiente şi economice a unor agenţi nocivi din industria alimentară. Astfel, în cadrul proiectului PN-III-P2-2.1-PED-2016-0415-103PED/2017 - Electrochemical platform for selective lead ion detection – RESPOND – director de proiect dr. Lidia Măgeruşan, cu sprijinul dr. ing. Ştefan Gergely, a fost fabricată şi validată la nivel de laborator o platformă electrochimică de detecţie ’RESPOND’ - un mini-potenţiostat cu o singură tehnică, voltametria ciclică, fabricat şi testat pentru detecţia selectivă a ionilor Pb2+ din soluţii apoase. În cazul dispozitivului dezvoltat se foloseşte o configuraţie de trei electrozi: contraelectrodul de Pt, un electrod de referinţă Ag/AgCl şi electrodul de lucru reprezentat de un electrod clasic de aur a cărui suprafaţă a fost modificată cu un nou material nanocompozit pe bază de chitosan şi grafene dopate cu atomi de azot. Metoda de sinteză a materialului nanocompozit şi aplicabilitatea lui în detecţia electrochimică a plumbului sunt patentate.
Scopul principal al unui alt proiect de cercetare: PN-III-P2-2.1-PED-2019-2410-500PED/2021–‘PORTA-SYD’, coordonat tot de dr. Măgeruşan, a fost de a furniza o tehnologie economică inovatoare cu impact benefic direct în sănătate și științele vieții prin proiectarea, dezvoltarea și fabricarea unui prototip experimental pentru detecţia şi cuantificarea electrochimică a colorantului alimentar sintetic, Sunset Yellow (E110), recunoscut şi interzis în multe țări din cauza potenţialului său toxic.