Морфолошка и структурна својства наночестица сребра и злата добијених јонском имплантацијом у полиетилен велике густине

Abstract

У овој докторској дисертацији су испитана морфолошка и структурна својства наночестица сребра и злата које су добијене јонском имплантацијом у полиетилен велике густине (HDPE). Поред основних својстава испитане су и потенцијалне примене ових материјала као и њихово понашање у реалним условима. Јони сребра и злата имплантирани су дозама од 1.1015, 5.1015 и 1.1016 јона/cm2 и енергијама од 50, 100, 150 и 200 keV. Избор ових доза и енергија су последица детаљних истраживања о могућностима постизања оптималних наноструктурних својстава система метал – полимер. Прелиминарни прорачуни пројектованих домета, расподеле јона, енергетских губитака и потенцијалних радијационих оштећења извршени су програмским пакетом SRIM (Stopping Range of Ions in Matters). Имплантиране јонске врсте у полимерној основи су потврђене методама Рендгенске дифракције (XRD), Масене спектрометрије (ICP – MS), Рендгенске фотоелектронске спектроскопије (XPS) и трансмисионе и сканирајуће електронске микроскопије (TEM, SEM). Оптичка својства и степен активације полимера наночестицама сребра и злата испитивани су спектроскопском елипсометријом (SE). Узорци HDPE са инкорпорираним наноструктурним честицама даље су карактерисане следећим методама: Микроскопијом у пољу атомских сила (AFM), применом тачкастог (tapping mode) и фазног начина снимања (phase mode) извршене су топографска и фазна анализа промена насталих на површини HDPE; Промене у структури попречног пресека као и анализе зона радијационог оштећења праћене су микроскопијом са променљиво - контролисаном силом (AFM – FMM) заснованој на контролисаним осцилацијама на областима различите вискозности у материјалу. Анализом функције спектра снаге (PSD) испитане су површинске појаве настале јонском имплантацијом и представљени су основни механизми реакција на површини анализом нагиба PSD функције. Додатне информације о површинским својствима и адхезивности површина добијених јонском имплантацијом добијене су мерењем контактног угла и израчунавањем површинске енергије. Разлике у дозама имплантације као и енергијама условиле су настанак површина различитих поларности и афинитета. Промене у хемијском саставу површине потврђене су методом инфрацрвене спектроскопије FTIR-ATR (FTIR - attenuated total reflectance), где је уочен настанак нових хемијских веза услед јонске имплантације. Симулација услова реалне експлоатације извршена је у озон генератору у току од 2 сата. Узорци имплантирани јонима злата различитих енергија показали су различиту отпорност на дејство озона. Најстабилнији међу њима је узорак имплантиран јонима злата енергије 150 keV. Наноструктурни системи метал полимер испитани су на инхибицију на два најчешћа клиничка микроорганизма S. aureus и E. coli. Због своје потенцијалне примене у биомедицини веома је важно испитати понашање ових система у микробиолошки непожељним срединама. Истраживања су показала да су јони сребра и злата добри инхибитори у случају S. aureus док је за инхибицију E. coli полимерни материјал потребно додатно оплеменити неким антибиотицима или биоцидима.

In this doctoral dissertation the morphological and structural properties of silver and gold nanoparticles, obtained by ion implantation in high density polyethylene (HDPE) have been studied. In addition to the basic properties, potential applications of these materials and their behavior were also investigated in real conditions. Silver and gold ions have been implanted with doses of 1.1015, 5.1015 and 1.1016 ions/cm2 and energies of 50, 100, 150 and 200 keV. The selection of the doses and energies were the result of detailed research on the possibilities of achieving optimal properties of nanostructured systems metal - polymer. Preliminary calculations of the projected range, distribution of ions, energy loss and potential radiation damage were performed using software package SRIM (Stopping Range of Ions in Matters). The presence of implanted ion species in the polymer matrix was confirmed by X-ray diffraction (XRD), Mass spectrometry ICP – MS, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and transmition and scanning electron microscopy (TEM, SEM). Optical properties and the degree of the polymer activation with nanoparticles of silver and gold were performed using spectroscopic ellipsometry (SE). Confirmed nanostructured particles incorporated in the polymer matrix are further characterized by the following methods: Atomic Force Microscopy (AFM), using the tapping mode and phase mode for topographic and phase analysis of the changes on the HDPE surface; Changes in the cross section as well as the analysis of radiation damage zone were performed using Force Modulation Microscopy (AFM – FMM), based on the controlled oscillations in areas with different viscosities in the material. Power Spectral Density (PSD) was used for the investigation of the surface phenomena caused by ion implantation and presented the basic surface reactions mechanisms analysing the slope of PSD functions. Additional information on surface properties and surface adhesion obtained by ion implantation were obtained using the Contact Angle Measurement (CAM) and calculating the free surface energy. Differences in the implantation doses and energies have caused the formation of different surface polarity and affinity. Changes in the chemical composition of the surface were confirmed using infrared spectroscopy FTIR-ATR (FTIR - attenuated total reflectance), where new chemical bonds are obtained due to ion implantation. Simulation of the conditions of the real operation was performed in the ozone generator during the 2 hours. Samples implanted with gold ions of different energies showed different resistance to ozone. The most stable among them was the gold implanted sample with the energy of 150 keV. Nanostructured metal – polymer systems were tested for inhibition of the two most common clinical microorganism S. aureus and E. coli. Because of their potential applications in biomedicine it is very important to examine the behavior of these systems in microbiological undesirable areas. The obtained results have shown that silver and gold ions are good inhibitors in the case of S. aureus, while for the inhibition of E. coli, polymeric material should be further enhanced using certain antibiotics or biocides.