Z przyjemnością informujemy, że w dniu 29 października 2024 roku Rada Naukowa IPPT PAN nadała Agacie Kaczmarek stopień doktora w dziedzinie nauk inżynieryjno-technicznych, w dyscyplinie inżynieria materiałowa.
Tytuł rozprawy brzmi „Zależność własności nanocząsteczek węglowych syntezowanych i modyfikowanych metodą ablacji laserowej w cieczy od parametrów procesu”.
Promotorem pracy jest prof. dr hab. inż. Jacek Hoffman z IPPT PAN.
Nanocząstki węglowe, z powodu ich niezwykłych własności optycznych, elektrycznych i mechanicznych, cieszą się – w ostatnich latach – niesłabnącym zainteresowaniem badaczy. Z uwagi na swoją biozgodność, materiały te mogą zastąpić powszechnie stosowane organiczne barwniki i półprzewodnikowe kropki kwantowe w sondach i czujnikach fluorescencyjnych czy obrazowaniu biomedycznym.
Dla dalszych badań, jak i potencjalnych zastosowań nanocząstek węglowych, istotne jest opracowanie wydajnych metod otrzymywania nanocząstek o dobrze określonych własnościach. Jednym ze sposobów otrzymywania nanocząstek węglowych jest metoda wykorzystująca ablację wiązką laserową tarczy grafitowej zanurzonej w cieczy.
Motywacją do podjęcia badań będących przedmiotem niniejszej rozprawy były istniejące niejednoznaczności dotyczące wpływu parametrów ablacji laserowej na własności otrzymywanych tą metodą nanocząstek węglowych. Zagadnienie to stanowi podstawowy problem badawczy, którego rozstrzygnięcie ma istotne znaczenie dla różnych obszarów zastosowań nanocząstek węglowych.
Głównym celem rozprawy było poszukiwanie powiązań między parametrami wiązki laserowej, zjawiskami towarzyszącymi ablacji, a procesami powstawania nanocząstek. Ponadto, celem wykonanych prac była analiza wpływu odczynnika (rodzaju, ilości i/lub stężenia) na własności optyczne nanocząstek węglowych oraz określenie sposobu optymalnej modyfikacji ich powierzchni. Zamiarem badań było również ustalenie mechanizmu emisji nanocząstek węglowych.
Sformułowano trzy tezy pracy. Pierwsza z nich dotyczyła konieczności podziału procesu syntezy nanocząstek węglowych na dwa niezależne etapy, tj. produkcji i modyfikacji własności. Druga teza dotyczyła zagadnienia optymalizacji warunków ablacji tarczy w taki sposób, by otrzymać nanocząstki o niewielkich rozmiarach, natomiast trzecia teza, że do modyfikacji własności optycznych nanocząstek wystarczy niewielka ilość odczynnika.
Zakres pracy obejmuje trzy części. W pierwszej z nich przedstawiono wprowadzenie do tematyki rozprawy, sformułowano tezy i przedstawiono cele pracy. Drugą część rozprawy poświęcono własnym badaniom eksperymentalnym, opisując metodologię badań oraz ich wyniki. W ostatniej części przedstawiono podsumowanie wyników uzyskanych w pracy.
W niniejszej pracy zaproponowano nową metodę otrzymywania nanocząstek węglowych. Pierwszy jej etap polegał na ablacji wiązką laserową tarczy grafitowej w wodzie. Następnie, do otrzymanej zawiesiny nanocząstek węglowych dodawano niewielką ilość odczynnika. Tak powstałej mieszaniny nie modyfikowano wiązką laserową. Taka ścieżka syntezy umożliwia kontrolę nad rozmiarem, mikrostrukturą i własnościami optycznymi nanocząstek.
Przedstawione w pracy wyniki badań pozwoliły na potwierdzenie postawionych tez. Jak wykazano, parametry procesu ablacji należy dobrać w taki sposób, aby temperatura powstałej plazmy była jak najniższa, przy jak najwyższym jej ciśnieniu. Aby zapewnić niską temperaturę w trakcie ablacji, proces powinien odbywać się przy niskich wartościach fluencji impulsu laserowego. Po to, by ablacja miała jedynie charakter termiczny i aby uniknąć zjawisk niepożądanych, takich jak kruszenie tarczy grafitowej wskutek ciśnienia odrzutu, oszacowano optymalną wartość fluencji, równą około 4 J/cm2. Stosując oszacowane parametry, przeprowadzono ablację tarczy grafitowej w wodzie. Otrzymana zawiesina nanocząstek węglowych w wodzie charakteryzuje się dużym stopniem jednorodności – otrzymane cząstki są sferyczne i mają rozmiary z zakresu 3-5 nm.
Dla zaproponowanej procedury modyfikacji własności nanocząstek węglowych, zaobserwowana zmiana własności optycznych zawiesiny cząstek po dodaniu odczynnika może być przypisana jedynie oddziaływaniu nanocząstek z grupami funkcyjnymi użytego reagenta. Analiza wyników badań wykazała, że mechanizm emisji nanocząstek nie jest związany z rodzajem użytego odczynnika, a w konsekwencji – z rodzajem przyłączonych grup funkcyjnych. Na przykładzie własności mieszanin nanocząstek węglowych i polietylenoiminy (PEI) pokazano, że w obecności polimeru dochodzi do agregacji cząstek i zwiększenia intensywności emisji układu. Tym samym, potwierdzono koncepcję mechanizmu emisji związanej z agregacją cząstek. Pokazano, że proces agregacji cząstek w obecności polimeru związany jest z elektrostatycznym oddziaływaniem między ujemnie naładowanymi nanocząstkami węglowymi a kationami PEI. Analiza zmodyfikowanych przez autorkę modeli kinetyki adsorpcji wykazała, że zmiana emisji w czasie jest kontrolowana przez proces dyfuzji i tym samym, że transport reagenta do powierzchni nanocząstek odbywa się na drodze dyfuzji. Ponadto, stwierdzono również, że o własnościach optycznych mieszaniny decyduje pierwszy (szybki) etap procesu dyfuzji, w którym siłą napędową adsorpcji jest przyciąganie elektrostatyczne między przeciwnie naładowanymi cząstkami/cząsteczkami.