Czarny krzem to modyfikacja powierzchni krzemu – syntetyczna, półprzewodnikowa nanowarstwa pokryta miliardami drobnych stożków. Badacze z Australii odkryli, że wysoka światłoczułość wierzchniej warstwy nie jest jedyną niezwykłą cechą materiału. Naukowcy ze Swinburne University of Technology zademonstrowali antyseptyczną powłokę z czarnego krzemu, która eliminuje bakterie dzięki budowie tekstury powierzchni.
Czarny krzem (z ang. black silicon, bSi) to materiał odkryty przypadkowo w latach 80′ XX wieku. W 1999 roku naukowcy z Harvardu opracowali technologię wytwarzania czarnego krzemu poprzez traktowanie sześciofluorkiem siarki (SF6) zwykłej płytki krzemowej w procesach reaktywnego trawienia jonowego (z ang. reactive-ion etching, RIE). Technika ta bazuje na reakcjach jonów z silnej wiązki lasera z atomami znajdujących się w emulsji, w wyniku których tworzą się rowki i otwory o głębokości do kilkuset mikrometrów. Proces ten można ustawić w taki sposób, że na milimetrze kwadratowym powstanie miliony drobnych igieł. Chropowata nanostruktura sprawia, że krzem nabiera ciekawych właściwości. Przekształcony, półprzewodnikowy materiał posiada niski współczynnik odbicia oraz wysoki współczynnik absorpcji światła widzialnego i podczerwonego. Czarny krzem nie znalazł jeszcze zastosowań komercyjnych, lecz coraz głośniej mówi się o potencjalnym wykorzystaniu materiału w przemyśle fotowoltaicznym, a także przy produkcji czułych przetworników obrazu w aparaturze medycznej, noktowizorach, aparatach cyfrowych i kamerach.
Inżynierowie ze Swinburne zauważyli podobieństwo w wyglądzie powierzchni skrzydeł cykady o łacińskiej nazwie Psaltoda claripennis oraz czarnego krzemu. Przeprowadzone kilka miesięcy wcześniej badania wykazały bakteriobójczy charakter iglastej nanostruktury skrzydeł cykady dla pałeczek ropy błękitnej (z łac. Pseudomonas aeruginosa). Bazował on wyłącznie na ich fizycznej budowie, a biochemiczne właściwości skrzydła nie miały żadnego wpływu. Skłoniło to badaczy do poszukiwania owadów o podobnej architekturze powierzchni. Okazało się, że skrzydła ważki Diplacodes bipunctata były jeszcze bardziej zabójcze, gdyż likwidowały bakterie pałeczkowate oraz te o budowie sferycznej (zaokrąglonej).
Zdjęcie ze skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) pojedynczej “igły” krzemu po głębokim procesie reaktywnego trawienia jonowego (z ang. deep reactive-ion etching, DRIE).
Do badań porównawczych naukowcy wykorzystali skrzydła ważki oraz płytkę czarnego krzemu pokrytą nanoigłami o średniej wysokości 240 nanometrów. Zdjęcia mikrostruktury wykonane na elektronowym mikroskopie skaningowym SEM wykazały, że igły czarnego krzemu były bardziej “zaostrzone”, dwukrotnie wyższe oraz wyraźnie oddalone od siebie w zestawieniu do nanostruktury skrzydeł ważki. Do badań właściwości antyseptycznych posłużyły trzy typy bakterii – pałeczki ropy błękitnej, gronkowiec złocisty (z łac. Staphylococcus aureus) oraz laseczki siennej (z łac. Bacillus subtilis). Bakterie umieszczono na każdej z powierzchni, a następnie obserwowano ich żywotność przez 30 godzin. Eliminacja zarazków odbywała się przez deformację i rozbicie ścian komórkowych. Skuteczność obu materiałów była porównywalna, a średnia uśmierconych komórek wynosiła około 450 000 na minutę w ciągu pierwszych trzech godzin ekspozycji na każdy centymetr kwadratowy. Dawka ta jest 810 razy mniejsza od liczby bakterii potrzebnych do zakażenia człowieka gronkowcem oraz odpowiednio 77400 razy mniejsza od liczby pałeczek ropy błękitnej
Przeciwbakteryjne nanomateriały mogą stanowić m.in. nową generację bezpiecznych pokryć implantów medycznych. Powłoki eliminują bakterie w sposób mechaniczny, bez stosowania innych związków chemicznych lub skomplikowanych reakcji. Dodatkową zaletą jest to, że warstwy mogą być łatwo wykonane na dużych obszarach. Z drugiej strony, nanopowierzchnia z czarnego krzemu będzie wymagała opracowania procesu oczyszczania pozostałości po martwych bakteriach.
Źródło:
[1] Bactericidal activity of black silicon by E. P. Ivanova et al in Nature Communications, 4, Article number: 2838. doi:10.1038/ncomms3838
[2] http://www.nature.com/ncomms/2013/131126/ncomms3838/full/ncomms3838.html [04.12.2013]
[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Black_silicon [04.12.2013]
[4] Black_Silicon_-_ASE_single By Christoph Kubasch (2005), CC-BY-SA-3.0 via Wikimedia Commons
[5] SEM_of_RIE_Black_Silicon by Materialscientist, CC-BY-SA-3.0 via Wikimedia Commons