Program NUCLEU perioada 2018

NOI ABORDĂRI ÎN DOMENIUL TEHNOLOGIILOR IZOTOPICE ȘI MOLECULARE-IZOMOL 18 PN18 03

P5. Materiale nanocompozite cu aplicații în depoluare, nanomedicină, sisteme fotovoltaice și stocarea/procesarea informației.

Responsabil proiect: Dr. Ovidiu PANĂ

Faza 1: Sinteza şi caracterizarea nanocompozitelor pe bază de nanotuburi de carbon și oxizi de Fe și Mn precum şi a materialelor hibride pe bază de polimeri, utilizabile în decontaminarea apelor uzate prin adsorbţie; Sinteza şi caracterizarea nanocompozitelor magnetice destinate proceselor de fotocatalitiză; Sinteza platformelor multifuncţionale pe bază de nanoparticule magnetice Fe₃O₄ şi FePt/metal nobil/PEG funcţionalizat pentru utilizare ca şi agenţi antitumorali.

Valoare fază: 1.347.141 lei

Termen de predare: 15.06.2018

Rezultate:

1. Produs: Nanomateriale compozite pe bază de ferite şi semiconductori cu activitate fotocatalitica crescută;

2. Produs: Nanostructuri magnetice pe bază de poli(benzofuran-co-acid arilacetic) funcționalizat cu molecule capabile să retina ioni de metale grele;

3. Produs: Nanostructuri magnetice pe bază de policatecolamina pentru aplicații în depoluarea apelor;

4. Metoda de preparare a fotocatalizatorilor utilizați în depoluarea apelor uzate;

5. Metodă de obținere a nanocompozitelor pe bază de nanotuburi de carbon și oxizi de Fe și Mn;

6. Studiu privind depoluarea apelor uzate prin fotocataliza utilizând nanomateriale composite magnetice.

Diseminare:

I. Articole publicate:

1. Anca Petran, Niculina D. Hădade, Claudiu Filip, Xenia Filip, Attila Bende, Adriana Popa, Jürgen Liebscher, Poly[3,4-dihydroxybenzhydrazide]: A Polydopamine Analogue?,- Macromol. Chem. Phys. 2018, 1700564, (DOI: 10.1002/macp.201700564).

II. Comunicări la conferinţe internaţionale:

1. Preparation of MnO₂/carbon nanotubes with sorption properties, Manuela Stan, Ildiko Lung, Adina Stegarescu, Ocsana Opris, Simona Gutoiu, Maria-Loredana Soran, Teofil-Danut Silipas, Cristian Leostean, Ovidiu Pana, Mihaela Diana Lazar, Alin Sebastian Porav, The Fifth Edition of International Conference on Analytical and Nanoanalytical Methods for Biomedical and Environmental Sciences ”IC-ANMBES 2018”, 23 mai – 25 mai 2018, Brasov, Romania
2. Synthesis and Characterisation of CoFe₂O₄@TiO₂:Tb Magnetic Recoverable Photocatalyst, M. Stefan, O. Pana, A. Popa, , D. Toloman, T. D. Silipas, C. Leostean, S. Macavei, L. Barbu-Tudoran,M. Stan, The Fifth Edition of International Conference on Analytical and Nanoanalytical Methods for Biomedical and Environmental sciences ”IC-ANMBES 2018”, 23-25 mai 2018, Brasov, Romania.
3. New modified-chitosan for improved heavy metal adsorption from wastewater, Ganea Iolanda, Nan Alexandrina, Turcu Rodica , 12th edition of the ELSEDIMA International Conference, 17-19 mai 2018, Cluj Napoca, Romania;
4. Magnetic nanostructures based on functionalized poly(benzofurane-co-arylacetic acid) for heavy metal adsorption, Ganea Iolanda, Nan Alexandrina, Dan Monica, Porav Sebastian, Turcu Rodica, II-nd Edition of Young Researchers' International Conference on Chemistry and Chemical Engineering (YRICCCE II), 3-5 mai 2018, Budapesta, Ungaria.

Faza 2a: Prepararea şi caracterizarea complexa a unor ansambluri nanostructurate pe baza de materiale magnetice decorate cu metale nobile şi a unor nanocompozite magnetice cu calcogenuri utilizabile în biomedicină ca şi agenţi antibacterieni şi respectiv agenţi de contrast; Realizarea prin ablatie laser şi alte metode fizico-chimice a unor ansambluri de straturi subţiri cu răspuns fotovoltaic

Valoare fază:449.222 lei

Termen de predare: 15.09.2018

Rezultate:

În acesta etapa fost prezentată metoda de sinteză a nanostructurilor de forma FePt@CuS@SiO₂, măsurătorile de difracție de Raze-X indicând formarea fazelor dorite. Rezultatele măsurătorilor de microscopie de înaltă rezoluție obținute pentru probele nanocompozite au indicat formarea unor particule de dimensiuni de ordinul a o sută de nanometri, dimensiuni mult prea mari pentru o eventuală utilizare a acestor materiale în mediul intra-celular. Rezultatele obținute în urma măsurătorilor magnetice au putut fi, până în acest moment, explicate doar parțial. Au fost de asemenea preparate sisteme nanocompozite bazate pe nanoparticule de magnetita acoperite cu Co sau MgO la care au fost ataşate nanoparticule de Ag.

De asemenea, în această fază, au fost obținute trei arhitecturi de filme subțiri multistrat:
sticla/Mo/CZTS/ZnS/ZnO/ZnO:Al, sticla/Mo/CZTS/Cr/ZnS/ZnO/ZnO:Al sticla/Mo/CZTS/Au/ZnS/ZnO/ZnO:Al prin tehnica PLD în care a fost introdus un strat inhibitor Cr, respectiv Au între Mo şi stratul absorbant. Filmele subțiri multistrat au fost analizate prin difracție de raze X și AFM.

Diseminare:

I. Comunicări științifice la conferințe internaționale

1. Influence of buffer layer on photovoltaic characteristics of CZTS thin films, S. Macavei, O. Pana, D. Toloman, M. Stefan, A. Popa, C. Leostean, L. Barbu-Tudoran, 18^th International Balkan Workshop on Applied Physics and Materials Science, 10-13 iulie 2018, Constanta, Romania.
2.Synthesis, characterization, and antibacterial activity of green synthesized Fe₃O₄/CuO/Ag nanocomposites, Manuela Stan, Maria-Loredana Soran, Ildiko Lung, Ocsana Opris, Cristian Leostean, Teofil-Danut Silipas, Dan Cristian Vodnar, Mihaela Diana Lazar, Alin Sebastian Porav, Maria Stefan, 18^th International Balkan Workshop on Applied Physics and Materials Science, July 10-13, 2018, Constanta, Romania.
3.Core-shell FePt-CuS magnetic nanoparticles as contrast agents in magnetic resonance imaging, Simona Gutoiu, Loredana Soran, Adina Stegarescu, Maria Stefan, Adriana Popa, Dana Toloman, Cristian Leostean, Sergiu Macavei, Ovidiu Pana, 18^th International Balkan Workshop on Applied Physics and Materials Science, July 10-13, 2018, Constanta, Romania
4. Preparation and characterization of magnetic nanocomposites based on cubic magnetite with possible antitumoral properties, Adina Stegarescu, Maria-Loredana Soran, Simona Gutoiu, Ovidiu Pana, Cristian Leostean, Dănuț Teofil Silipas, Lucian Barbu, Constantin Bele, The 18^th International Balkan Workshop on Applied Physics and Materials Science, July 10-13, 2018, Constanta, Romania

Faza 2b: Prepararea şi caracterizarea complexă a unor ansambluri nanostructurate pe baza de materiale magnetice decorate cu metale nobile şi a unor nanocompozite magnetice cu calcogenuri utilizabile în biomedicină ca şi agenţi antibacterieni şi respectiv agenţi de contrast; Realizarea prin ablaţie laser şi alte metode fizico-chimice a unor ansambluri de straturi subţiri cu răspuns fotovoltaic

Valoare fază: 518.759 lei

Termen de predare: 10.12.2018

Rezultate:

Sub-tematica 2-II. Rezultatele măsurătorilor structurale, microstructurale şi magnetice probează formarea nanoplatformelor multifuncţionale bazate pe materiale magnetice şi metale nobile. Rezultatele măsurătorilor magnetice pun în evidenţă un comportament de tip superparamagnetic, dând astfel posibilitatea utilizarii materialului în aplicaţii de hipertermie. Acoperirea cu un metal nobil, în cazul nostru aur, face de asemenea posibilă utilizarea acestui material în medicină, şi anume în aplicaţii fototermice. Depunerea componentelor organice probată prin măsuratori EDS, are rolul de a da nanoplatformelor calităţi biocompatibile dar si luminiscente. Luând în considerare rezultatele prezentate se va utiliza nanomaterialul final, FePt@Au@PEG-SH@AF@FTIC, în experimente pe celule maligne, studii privind intrarea şi efectul pe care acesta îl are odată intrat în medii intra-celulare.

Sub-tematica 3-I. În această fază au fost obținute două arhitecturi de filme subțiri multistrat: sticlă/Mo/CZTS/ZnS/ZnO/ZnO:Al, sticlă/Mo/Au/CZTS/ZnS/ZnO/ZnO:Al prin tehnica PLD în care stratul de Au are rolul de a inhiba reacția dintre Mo și CZTS. Filmele subțiri multistrat au fost analizate prin difracție de raze X și SEM, iar răspunsul fotovoltaic a fost evaluat din dependența I-V determinata sub iluminare în condițiile unui simulator solar standard cu AM 1,5. Cele două arhitecturi au răspuns fotovoltaic parametrii obținuți sunt V_oc = 183 mV, J_sc = 3.56 mA/cm²,P_max = 0,96 mW, FF = 29%, η=1,06% și respectiv V_oc = 157 mV, J_sc = 4.22 mA/cm², Pmax = 1,16 mW, FF = 34%, η=1,29%.

Rezultate: Produse:1-Sisteme multistrat cu raspuns fotovoltaic

Metode: 1 -Metoda de preparare a sistemelor multistrat cu raspuns fotovoltaic

Studii: 1-Studiu privind obtinerea unor nanocompozite magnetice avand proprietati antitumorale.

Diseminare:

Faza 3: Testarea potentialului aplicativ al materialelor nanocompozite obţinute cu utilizare în depoluarea apelor uzate prin adsorbţie şi fotocataliză; Ajustarea controlată a proprietăților acestora în scopul creşterii eficienţei procesului de depoluare; Evaluarea în vitro a activităţii antibacteriene, antitumorale şi ca agenţi de contrast a platformelor multifuncţionale preparate; Realizarea unor sisteme multistrat de tipul: FePt/ZnO si FePt/P3HT prin tehnica PLD în asociere cu alte metode fizico-chimice cu aplicaţii în stocarea magnetică a datelor

Valoare fază: 910.231 lei

Termen de predare: 10.12.2018

Rezultate:

Sub-tematica 1-I. Obiectivul fazei a fost îndeplinit prin stabilirea unui protocol de lucru pentru îndepărtarea poluanţilor (medicamente, pesticide) din soluții apoase. Pentru aceasta s-au determinat condiţiile optime de lucru, respectiv capacitățile maxime de adsorbție a nanocompozitului CNT-Fe₃O₄-MnO₂.S-a demonstrat că nanocompozitul CNT-Fe₃O₄-MnO₂ poate fi utilizat cu succes ca adsorbant pentru îndepărtarea ibuprofenului și paracetamolului și mai puțin pentru îndepărtarea pesticidelor luate în studiu. De asemenea, au fost realizate câteva teste de regenerare a nanocompozitului, iar rezultatele obținute au fost cuprinse între 20 și 85% grad de desorbție, în funcție de poluant, lucrându-se la 30°C.

Sub-tematica 1-II. Se poate concluziona ca, in cazul celor 3 categorii de materiale hibride pe bază de poli(benzofuran-co-acid arilacetic) sintetizate in cadrul proiectului s-a realizat reținerea poluanților pe baza de metale toxice. Inserția acestora în structurile celor 3 categorii de materiale a fost demonstrata demonstrată prin spectroscopie în infraroșu si analiza termogravimetrică. Materialele hibride preparate si studiate au performanțe foarte bune în eliminarea ionilor metalici, fiind ideale pentru aplicațiile din domeniul tratării și epurării apelor. Totodată raportul cost-beneficiu este de asemenea foarte bun.

Sub-tematica 1-III. Obiectivul propus in cadrul fazei a fost realizat. In această fază au fost testate proprietățile fotocatalitice a unor nanocompozite de tipul CoFe2O4-TiO2: x%Tb, unde x=0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 1. Testarea s-a realizat utilizându-se lumina din spectrul vizibil iar poluantul utilizat a fost rhodamina B (RhB). S-au pus în evidență speciile reactive de oxigen implicate în procesul de fotocataliza iar prin HPLC s-au analizat produșii de reacție.

Sub-tematica 2-I. Obiectivul propus in cadrul fazei a fost realizat .In urma efectuării testelor antibacteriene s-a constatat un efect major împotriva bacteriei Escherichia coli prin utilizarea probei de nanocompozit Fe₃O₄/CuO/MgO/ (rap. molare1:1:2) decorata cu Ag (MCMA3), la concentrația de 30 mg/mL, în timp ce în cazul bacteriei Staphyloccocus aureus cea mai eficientă a fost proba Fe₃O₄/CuO/MgO/ (rap. molare1:2:1) decorata cu Ag (MCMA6), la concentrația de 10 mg/mL. În concluzie, testele efectuate, prin diferite metode, confirmă natura toxică a nanoparticulelor compozite sintetizate pentru diferite sisteme bacteriene (Escherichia coli, Staphyloccocus aureus Bacillus subtilis, Listeria monocytogenes, Salmonella typhimurium).

Sub-tematica 2-II. Obiectivul propus în cadrul acestei sub-tematici a fost realizat. În urma interpretării rezultatelor s-a constatat ca prepararea nanocompozitului FePt@CuS@SiO₂ a fost realizata. Măsuratorile de raze X sunt în concordanţă cu rezultatele măsurătorilor spectroscopiei de fotoelectroni indicând obţinerea fazelor nanocompozitului. Dimensiunea particulelor nanocompozitului final, determinată prin măsuratori de microscopie electronică, este de ordinul sutelor de nanometri ceea ce corespunde cerintelor de internalizare la nivel celular. Confirmarea în urma măsurătorilor EDS a depunerii fazelor de CuS şi SiO₂ face posibilă utilizarea acestui material în aplicaţii fotoluminiscente. În continuare se doreşte ajustarea cât mai bună a parametrilor de sinteză pentru a se obţine nanomateriale de dimensiuni mai reduse și proprietăți fotoluminiscente net îmbunătățite.

Sub-tematica 2-III. Obiectivul propus in cadrul fazei a fost realizat In urma procesului de internalizare s-a constatat faptul ca celulele de melanom au fost afectate de prezenţa nanoplatformelor preparate. Diferentiere in functie de tipul nanostructurilor utilizate se poate face dupa cum urmeaza: (i) FePt@CuS@SiO₂@AF@FITC acționează la toate concentraţiile de test, într-o manieră dependentă de concentraţie. Astfel la 50 µg/mL aproximativ 60% din populaţia celularǎ a rǎmas viabilǎ, in schimb la concentraţia de 100 µg/mL mai puţin de 50% din populaţie a rămas viabilă. Se poate concluziona ca IC50 (concentraţia de inhibiţie mitocondrială pentru 50% din populaţia celulară) este cuprinsă între 50 şi 100 µg/mL pentru aceast tip de nanoplatformă. La concentraţii mai mari (500-1000 µg/mL) toate celulele au murit; (ii) In ceea ce privește celulele tratate cu nanoplatforma FePt@Au@PEG-SH@AF@FITC acestea au fost afectate progeresiv odată cu creșterea concentraţiei de nanomateriale. (iii) Nanoplatformele de tip FePt@CuS@SiO2 au prezentat o activitate mitocondrială apropiată de celulele netratate la concentrațiile de 50 şi 100 µg/mL, având o activitate cu 30% mai mare decât normal, în cazul concentrației de 100 µg/mL.

Subtematica 3-II. Obiectivul propus in cadrul fazei a fost realizat. In aceasta faza s-au obținut sisteme multistrat de FePt/ZnO si FePt/P3HT prin tehnica PLD in combinație cu alte tehnici de depunere. Sistemele de filme subțiri obținute au fost investigate din punct de vedere structural si al proprietăților magnetice Rezultatele obținute au pus in evidenta formarea filmelor de FePt respectiv ZnO cu răspuns magnetic.

Rezultate:
Produse:1. Noi sisteme multistrat cu aplicatii in stocarea magnetica a datelor
Metode: 1. Metoda de preparare a sistemelor multistrat cu raspuns magnetoelectric
Studii: 3
-Studiu complex privind utilizarea nanocompozitelor, pe bază de nanotuburi de carbon și oxizi ai metalelor de Fe şi Mn, pentru decontaminarea apelor.
-Studiu privind aplicatii ale nanocompozitelor pe baza de polimeri pentru retinerea poluantilor de tip metale grele
-Studiu privind obtinerea unor nanocompozite magnetice avand proprietati si antibacteriene.
Cerere de brevet: I.-V. Ganea, A. Nan, R. Turcu, Montmorilonit modificat cu poli(benzofuran-co-acid arilacetic) funcționalizat cu dopamină, nr. A/00774, 05.10.2018.

Diseminare:

Lucrare științifică trimisă spre publicare: 1