Węglan magnezu (MgCO3) i jego porowata nanostruktura amorficzna sprawia, że jest on materiałem z rekordowym rozwinięciem powierzchni właściwej. Jeden gram tego materiału odpowiada powierzchni około 800 metrów kwadratowych. Powierzchnia jest tak duża ze względu na kumulację porów o rozmiarach poniżej 6nm.
Węglan magnezu o specjalnej nanostrukturze został zsyntezowany przez naukowców z Uppsala University w Szwecji. Otrzymał on nazwę Upsalite. Badacze przeprowadzili syntezę w procesie niskotemperaturowym, bez użycia szablonów do uzyskania porów. Otrzymali bewzwodny węglan magnezu o amorficznej nanostrukturze, z rozwinięciem powierzchni właściwej znacznie większym od wcześniej znanych węglanów metali alkalicznych.
Węglan magnezu – właściwości
Materiał MgCO3 posiada niezwykłe właściwości adsorpcji wody. Pojemności adsorpcyjna jest około 50% większa niż dla higroskopijnego zeolitu Y przy jednoczesnym zachowaniu niskiej wilgotności względnej. Potrafi również zatrzymać 75% zaadsorbowanej wody podczas zmiany wilgotności otoczenia z 95% do 5% w temperaturze pokojowej. Cechy te można regenerować dzięki obróbce cieplnej poniżej temperatury 100°C.
Zainteresowanie materiałami o dużym rozwinięciu powierzchni sięga wczesnych lat 90′ XX wieku i gwałtownie wzrosło na początku 2013 roku dla materiałów porowatych. Według danych ISI Web of Knowledge liczba publikacji dotycząca zeolitów wynosi obecnie 60500, ponad 20500 dla mezoporowatej krzemionki oraz 12100 dla MOF (metal organic framework – materiałów metaliczno-organicznych).
Najczęstszym sposobem produkcji materiałów z mezoporowatymi strukturami, tj. porami o średnicy poniżej 50 nm, jest użycie miękkich szablonów, które po nałożeniu sztywnego właściwego materiału wymywa się rozpuszczalnikiem bądź wypala. Prowadzi to do powstania twardego porowatego materiału.
Magnez jest ósmym z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków w skorupie ziemskiej i najbardziej istotnym dla gatunków żyjących. Występuje w postaci uwodnionych węglanów, takich jak nesquehonit (MgCO3 · 3H2O) i lansfordyt (MgCO3 · 5H2O), węglanów, takich jak hydromagnezyt (4MgCO3 · Mg(OH)2 · 4H2O), i dypingit (4MgCO3 · Mg(OH)2 · 5H2O), a także jako bezwodny i rzadko spotykany magnezyt (MgCO3).
W przeciwieństwie do innych metali alkalicznych, synteza bezwodnego węglanu magnezu jest trudna, zwłaszcza w niskich temperaturach. Powyżej 100°C, magnezyt (krystaliczny MgCO3) może być otrzymany z Mg(HCO3)2 poprzez wytrącanie. W niższych temperaturach, uwodnione węglany magnezu, mają tendencję do tworzenia struktur dolomitowych. Magnezyt to powszechnie występujący minerał w przyrodzie, mimo tego złoża z czystą krystaliczną formą węglanu magnezu są rzadkością.
Szwedzcy naukowcy uzyskali bezwodny amorficzny węglan magnezu w wyniku reakcji między MgO, metanolem i dwutlenku węgla. Reakcje przeprowadzili w atmosferze CO2 pod ciśnieniem 1-3 barów. Początkowo utrzymwali temperaturę 50°C, w celu ułatwienia reakcji między MgO i metanolem. Po około 3 godzinach temperaturę obniżyli do temperatury pokojowej. Po upływie około czterech dni w naczyniu reakcyjnym powstał sztywny żel. Po wysuszeniu w powietrzu w temperaturze 70°C, żel zakrzepł, następnie uległ rozpadowi w gruboziarnisty proszek.
Przebieg syntezy bezwodnego amorficznego węglanu magnezu.
Zdolność adsorpcji wody w materiale jest interesująca z przemysłowego i technologicznego punktu widzenia. Materiał Upsalite może być wykorzystany do kontrolowania wilgoci podczas produkcji elektroniki i leków, jako izolacja termiczna i akustyczna. Może być stosowany do magazynowania toksycznych odpadów, chemikaliów, olejów. Stanowi dobre rozwiązanie jako nośnik leków i kosmetyków. Może być stosowany jako filtr – np. niwelować zapachy występujące po pożarach. Ze strony www.disruptivematerials.com/request-sample/ można zamówić próbkę materiału i testować do woli we własnym domu.
Zdjęcia z mikrospu SEM: a) ziarno w skali 1 mikrometra, b) powiększenie porowatego regionu materiału, skala 200nm. c) zdjęcie z mikroskopu TEM pokazuje porowatość materiału w skali 50nm.
Nanomateriał o wysokiej absorpcji
Materiały o wysokim stosunku powierzchni do objętości, w tym nanocząsteczki i materiały mezoporowate, mają wiele zastosowań ze względu na ich dużą powierzchnię i specjalne struktury. Tradycyjne podejścia do syntezy nanomateriałów o wysokim stosunku powierzchni do objętości są często skomplikowane, drogie lub nieprzyjazne dla środowiska.
Biorąc pod uwagę takie aspekty, jak dostępność i bezpieczeństwo pod względem kontaktu ze środowiskiem naturalnym lub biologicznym, nanomateriały na bazie węglanu magnezu są interesującym i potencjalnie cennym kandydatem do nowych zastosowań. Opracowanie nowych nanomateriałów opartych na amorficznym węglanie magnezu o wysokim stosunku powierzchni do objętości oraz zbadanie ich możliwych zastosowań jest celem wielu naukowców.
Amorficzne nanocząsteczki węglanu magnezu (AMN) zostały pomyślnie zsyntetyzowane za pomocą prostej i niskotemperaturowej drogi. Strukturę i wynikające z niej właściwości materiału można dopasować poprzez zmianę końcowych etapów procesu syntezy.
Zbadano zdolność AMN do stabilizowania ibuprofenu (IBU) w stanie amorficznym. Wykazano, że nanokompozyty o stosunku masowym IBU:AMN aż do 5:1 zwiększają szybkość uwalniania IBU in vitro aż 83-krotnie w porównaniu z IBU w postaci krystalicznej. Związany z nim nanostrukturalny materiał, mezoporowaty węglan magnezu (MMC), oceniono jako nośnik stabilizujący transport leków w stanie amorficznym poprzez wbudowanie go w pory. W badaniu tym MMC zastosowano do uwalniania i utrzymywania dwóch słabo rozpuszczalnych leków (kwasu tolfenowego i rimonabantu) w stanie przesyconym za pomocą hydroksypropylometylocelulozy.
AMN wykorzystano również do syntezy nowego kleju razem z IBU bez dodatku polimeru. Klej ten był przezroczysty, samoregenerujący się, nadający się do kształtowania, rozciągliwy i wielokrotnego użytku. Ponadto, klej ten był w stanie sklejać różne materiały, w tym metale, szkło, papier i tworzywa sztuczne (nawet teflon).
Wreszcie, AMN został wykorzystany do przygotowania elastycznych, przezroczystych i chroniących przed promieniowaniem UV folii po włączeniu ich do matrycy z PMMA. Folie te charakteryzowały się zarówno właściwościami ekranującymi przed promieniowaniem UV, jak i zdolnością absorpcji i retencji wilgoci. Ponadto, odporność na promieniowanie UV i termostabilność tych folii została zwiększona dzięki dodaniu AMN.
Nanomateriały AMN i MMC mają ogromny potencjał w bardzo szerokim zakresie, od farmaceutycznych związanych z lekami słabo rozpuszczalnymi po zastosowania strukturalne, takie jak kleje, lub w optyce i elektronice jako folie chroniące przed promieniowaniem UV lub folie barierowe przed wilgocią.
Źródło:
[1] Forsgren J, Frykstrand S, Grandfield K, Mihranyan A, Strømme M (2013) A Template-Free, Ultra-Adsorbing, High Surface Area Carbonate Nanostructure. PLoS ONE 8(7): e68486. doi:10.1371/journal.pone.0068486
[2] http://www.plosone.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0068486 | 18.07.2013
[3] Magnesiocarbonatite by James St. John (jsj1771), flickr.com, CC BY 2.0
[4] Electron microscopy images of Upsalite by Johan Forsgren , Sara Frykstrand , Kathryn Grandfield, Albert Mihranyan, Maria Strømme, Wikimedia Commons, CC-BY-3.0
[5] Synthesis of Upsalite by Johan Forsgren , Sara Frykstrand , Kathryn Grandfield, Albert Mihranyan, Maria Strømme, Wikimedia Commons, CC-BY-3.0