PROIECT CEEX 71 /2006

Nanostructuri si nanoparticule de metale nobile cu proprietati plasmonice

multifunctionale pentru aplicatii relevante in nanofotonica, biodetectie si

spectroscopie laser “NANOBIOSPEC”

R A P O R T D E C E R C E T A R E

DEZVOLTAREA UNOR METODE DE NANOSTRUCTURARE

CONTROLATA PRIN LITOGRAFIE COLOIDALA SI SINTEZA

CHIMICA IN VEDEREA EXPLOATARII OPTIME A

PROPRIETATILOR PLASMONICE

Faza II, 30 Noiembrie 2007

- REZUMAT PUBLICABIL -

Conducator de proiect Universitatea Babeş-Bolyai, Cluj-Napoca

Director de proiect Prof Dr. Simion ASTILEAN

Partener 1 Universitatea Tehnica Cluj-Napoca, Responsabil: Prof dr Traian Petrisor

Partener 2 Universitatea de Stiinte Agricole si Medicina Veterinara Cluj-Napoca Responsabil: Prof dr Carmen Socaciu

Partener 3 – inclus in UBB la 01.11.2007

Partener 4 S.C. ICPE Bistriţa S.A Responsabil: Ing drd Sorin-Caludiu Ulinici

Partener 5 (extern) Universitatea Joseph Fourier din Grenoble Responsabil: Dr Patrice Baldeck (Director de Cercetare)

Partener 6 (extern) Universitatea Friedrich Schiller din Jena Responsabil:Prof dr Jurgen Popp

România

Ministerul Educaţiei şi Cercetării Universitatea „Babeş-Bolyai” Str. Mihail Kogălniceanu nr. 1 400084, Cluj-Napoca Tel: 0264 405300 Fax: 0264 191906 E-mail: phys@phys.ubbcluj.ro

UNIVERSITATEA BABEŞ-BOLYAI

FACULTATEA DE FIZICĂ

2

2

Proiectul Nanostructuri si nanoparticule de metale nobile cu proprietati

plasmonice multifunctionale pentru aplicatii relevante in nanofotonica,

biodetectie si spectroscopie laser desfasoara cecrcetari asupra producerii si caracterizarii proprietatilor fizico-chimice ale unor nanostructuri pe baza de metale nobile (retele ordonate de nanoparticule, filme metalice nanostructurate periodic, nanoparticule si nanocompozite metalo-polimerice, etc.) in vederea demonstrarii unor noi aplicatii in domeniul nanofotonici, biodetectiei si spectroscopie laser.

Caracteristica fundamentala a nanostructurilor de metal nobil decurge din modul specific in care electronii liberi din metal interactioneaza cu lumina. Interactiunea rezonanta lumina-nanoparticula se traduce printr-o absorbtie, imprastiere sau amplificare locala importanta a undei luminoase cunoscuta sub denumirea de rezonanta plasmonica. In consecinta, pe linga alte efecte, rezonantele plasmonice amplifica semnalul spectroscopic (fluorescenta, luminiscenta, imprastierea Raman, absorbtia IR, etc.) al moleculelor adsorbite pe suprafata nanoparticulelor sau plasate in imediata lor vecinatate. In consecinta prezenta nanoparticule de metal nobil poate contribui la optimizarea biodetectiei moeculare si permite monitorizarea pe cale optica a unor agenti si molecualari in domeniul biologiei, chimiei analitici\e si farmaciei. Mai mult, rezonantele plasmonice generate la interactiunea luminii cu sisteme ordonate de nanoparticule metalice creaza stari electomagnetice care pot amplifica randamentul de emisie luminoasa, un aplicatie importanta pentru domeniul fotonicii si opotoelectronicii.

Pentru a exploata la cel mai inalt nivel stiintific si aplicativ rezonantele plasmonice ale nanostructurilor de metale nobile, proiectul NANOBIOSPEC a pus al punct pian in prezent cateva metode experimentale si modele teoretice care permit pe de o part controlul dimensiunii, formei, interactiunii reciproce si biochimice a nanostructurilor.

Pentru toata perioada de desfasurare, proiectul NANOBIOSPEC a avut cateva obiective majore:

I. Optimizarea procedeelor si proceselor de auto-asamblare coloidala si moleculara

II. Dezvoltarea de noi metode de nanostructurare controlata

III. Demonstrarea unor aplicatii ale nanostructurilor metalice in domeniul bio-chemo-

detectie spectroscopice si nanofotonicii.

In atingerea acestor obiective centrale, partenerii au următoarele responsabilităţi: Conducătorul de proiect – Universitatea Babes - Bolyai urmăreşte obtinerea de

nanostructuri metalo-polimerice prin metode fizico-chimice, auto-asamblare si nanolitografie coloidala. In cadrul parteneriatului asigura o parte din activitatile de caracterizare morfologica (AFM) si optica si evaluare a substraturi amplificatoare de spectre optice, plasmonice si vibrationale prin diverse metode de spectroscopie laser (FT-IR, FT-Raman, SERS, SEIRA).

Partenerul P1- Universitatea Tehnica Cluj-Napoca extinde capacitatea de nanofabricare a partenerului CO prin efectuarea de depuneri controlate de filme metalice peste suporturi prefabricate realiate de catre partenerul CO. De asemenea va dezvolta metode de nanostructurare prin corodarea substratelor si va extinde metoda de nanolitografie colidala si la alte tipuri de materiale decat metale.

Partenerul P2 – Universitatea de Stiinte Agricole si Medicina Veterinara Cluj-Napoca are drept ţintă realizarea legaturii chimice dintre molecule si nanoparticulele produse de CO si P1. Se urmareste imobilizarea unor biomolecule de interes medical, biotehnologic si farmacologic pe nanoparticule de aur, avand in vedere ca aceste nanostructuri sunt biocompatibile si pot forma complecsi activi cu substraturi biologice.

Partenerul P3 –Institutul de Cercetari in Chimie „Raluca Ripan” Cluj-Napoca asigură sinteza unor nanoparticule semiconductoare si studiul fenomenelor de luminiscenta a acestora in prezenta nanostructurilor metalice fabricate de catre CO. Se urmareste realizarea unor structuri mixte fotonice/plasmonice care sa accelereze procesul de emisie luminiscenta.

3

3

Partenerul P4- S.C. ICPE Bistriţa S.A are sarcina de a efectua studii teoretice asupra procesului de curatire in plasma a substratelor utilizate de partenerii CO, P1 si P3 in activitatea de depunere de nanoparticule si realizarea in etapa finala a unor teste si dipozitive in acord cu studiile teoretice pentru detectia prin nanoparticule a unor contaminanti chimici din mediu.

Partenerul P5 – Universitatea Joseph Fourier din Grenoble, Franta sprijina efectuarea cercetărilor prin punerea la dispozitie a unor echipamente (laser Ti/safir in impulsuri, microscopie optica de fluorescenta, AFM) si prin accesul la instalatii de microstructurare prin tehnica absorbtiei bi-fotonice (two-photon absorption).

Partenerul P6 – Universitatea Friedrich Schiller din Jena, Germania sprijina efectuarea cercetărilor prin punerea la dispozitie a unor echipamente inexistente in tara (laseri cu emisie in domeniul NIR, de exemplu la 783 nm si 830 nm) si efectuarea unor masuratori de microscopie SNOM, spectroscopie Raman in domeniul UV si microscopie electronica de inalta rezolutie (HRTEM).

Etapa I a proiectului s-a desfaşurat in perioada 15.08.2006 – 30.11.2006 si a condus la atingerea tuturor obiectivelor prevazute pentru faza I.

ETAPA II

Etapa II a proiectului Dezvoltarea unor metode de nanostructurare controlata prin

litografie coloidala si sinteza chimica in vederea exploatarii optime a

proprietatilor plasmonice s-a desfaşurat in perioada 30.11.2006-30.11.2007. In cadrul acestei etape, activitatea de cercetare a urmarit atingerea urmatoarelelor 4 obiective, subsumate obiectivelo majore ale proiectului.

OBIECTIV I. Punerea la punct a unor metode pentru controlul formei, dimensiunii si

organizarii nanoparticulelor de metal nobil

Pentru atingerea acestui obiectiv s-au defasurat urmatoarele activitati de cercetare: 1) Inducerea de modificari morfologice controlate prin corodarea substratelor polimerice

nanostructurate urmate de depuneri de filme metalice de diferite grosimi.

2) Stabilirea unor metode de obtinere (sinteza chimica, biosinteza, reactie fotochimica indusa

laser, tratament termic) a nanoparticulelor cu forme anizotrope si dimensiuni controlabile

3) Caracterizarea morfologica, structurala, chimica si activitatea optica a nanoparticulelor si

nanostructurilor obtinute anterior prin diverse metode de microscopie de inalta rezolutie,

microspectroscopie optica confocala, transmisie si reflexie optica, microscopie „dark-field”,

difractie de raze X si difractie electronica.

4) Efectuarea unui studiu teoretic de modelare a dinamicii atomilor pe suprafete si formarea de

nanostructuri (clusteri) prin difuzia acestora.

6) Efectuarea unui studiu teoretic de modelare a interactiunii luminii cu metalele nanostrcturate

(modelul electromagnetic al rezonantelor plasmonice).

OBIECTIV II. Punerea la punct a unor protocoale de laborator pentru imobilizarea directa

sau prin agent chimic de legatura a unor bio-molecule pe nanoparticule de aur. Pentru atingerea acestui obiectiv s-au defasurat urmatoarele activitati de cercetare: 1) Identificarea si stabilirea unui protocol de laborator pentru realizarea imobilizarii directe sau

prin agent chimic de legatura a unor biomolecule (proteine, enzime, anticorpi) pe unele dintre

nanostructurile obtinute anterior.

2) Caracterizarea prin diverse metode optice si spectroscopice (FT-IR, FT-Raman, SERS,

imagistica confocala, fluorescenta, SERS, RMN, etc.) a substratelor metalice biofunctionalizate in

cadrul activitatii A II. 6 acestora

3) Evaluarea prin metode de spectroscopie optica a amplificarii spectrelor SERS si / sau SEIRA a

unor nanostructuri metalice ordonate sau dezordonate cu ajutorul unor molecule de interes

medical si farmaceutic.

4

4

4) Evaluarea functionalitatii biomoleculelor fixate pe nanostructuri prin reactii biochimice

specifice (testarea activitatii in culturi celulare in prezenta nanoparticulelor de aur)

OBIECTIV III. Realizarea sintezei unor nanoparticule semiconductoare coloidale cu

proprietati luminiscente in vederea testarii ulterioare in aplicatii fotonice

Pentru atingerea acestui obiectiv s-au defasurat urmatoarele activitati de cercetare: 1) Prepararea si caracterizareaunor

pulberi înalt disperse de sulfura de zinc fără dopanti;

2) Prepararea şi caracterizarea optica a unor nancompozite polimer-semiconductor

OBIECTIV IV. Diseminarea rezultatelor Pentru atingerea acestui obiectiv s-au defasurat urmatoarele activitati: 1) Participari la conferinte nationale si internationale tematice si reuniuni.

2) Efectuarea de stagii de scurta durata in laboratoarele partenerilor externi.

3) Reactualizarea paginii web si reuniuni de lucru.

4) Realizarea unor parteneriate pentru proiecte europene si bilaterale

In cadrul acestor activitati, partenerii au desfasurat urmtoarele activitati si au obtinut urmatoarele rezultate: Conducătorul de proiect – Universitatea Babes - Bolyai

A) Obţinerea în laborator de nanoparticule metalice se poate face printr-o varietate de proceduri experimentale, clasificate fie în categoria „de sus in jos” fie în categoria „de jos in sus”. În prima categorie intră procedee de nanolitografie care constă în depunerea/acomodarea unui film metalic în pre-forme („template”) de volum nanometric creat, de regulă, prin ablarea/corodarea unui substrat cu ajutorul unui fascicul electronic, ionic sau raze X. În a doua categorie intră metode de sinteza chimică, electrochimică, sonochimică, fotochimice, etc. Sinteza si fabricarea de nanoparticule cu forme anizotrope (altele decit cele sferice) nu este inca pe deplin pusa la punct si reprezinta un camp de cercetare de actualitate. In cadrul acestei activitati CO a testat si pus la punct citeva metode de sinteza care permit controlul formei, dimensiunii si organizarii nanoparticulelor de aur in solutie si pe substrat. In cadrul acestei activitati, pentru a obţine nanoparticule de formă triunghiulară în soluţie s-au folosit compuşii organici obţinuţi dintr-un extract de planta Nanoparticulele triunghiulare de aur s-au sintetizat prin amestecarea, la temperatura camerei şi în prezenţa luminii, a soluţiei apoase de HAuCl4 10-3M cu extract deplanta. Soluţia îşi schimbă culoarea de la galben (corespunzator clorurii aurice) la maroniu deschis (corespunzator triunghiurilor de aur în soluţie apoasă). Din imaginea de microscopie electronică s-a dedus ca forma nanoparticulelor este preponderent triughiulara si că dimensiunea unei laturi variază de la cativa nanometeri la caţiva micrometri. Din punct de vedere al rezonantelor plasmonice, triunghiurile de aur prezintă cel putin două benzi de rezonanta caracteristice de absorbţie, una datorată rezonanţei plasmonice transversale (în afara planului triunghiului) şi una datorata rezonanţei plasmonice longitudinale (în plan). În timp ce banda datorată rezonanţei plasmonice transversale este situată în domeniul vizibil la 565 nm (şi se situeaza aproape de rezonanţa plasmonică a nanoparticulelor sferice de aur), poziţia benzii datorată rezonanţei plasmonice longitudinale depinde foarte mult de lungimea laturii triunghiului. În acest caz al doilea maxim se află la lungimi de undă mai mari decat limita de masura (1100 nm) a spectrofotometrului care s-a utilizat pentru înregistrarea spectrelor de absorbţie.

Pe langa metoda de sinteza prezentate mai sus, s-au sintezat de nanostructuri de argint prin reactie fotochimica indusa laser la doi fotoni, prin colaborare cu partenerul francez, Laboratorul de Spectrometrie Fizica, Universitatea Joseph Fourier, Grenoble. Pentru ca o substanta sa absoarba doi fotoni (simultan) este necesara crearea unei densitati foarte mari de fotoni, deci intensitati ridicate ale undei luminoase. Acest lucru este realizabil doar cu ajutorul unui laser in pulsuri. Prin focalizarea printr-un obiectiv de microscop se obtine in centrul focarului o densitate mare de fotoni, si deci creste probabilitatea de absorbtie a doi fotoni. Aria in care se intampla acest lucru este foarte redusa, mai mica decat dimensiunile spot-ului focal in cazul unui laser in unda continua, cu aceeasi

5

5

lungime de unda. In studiul nostru am obtinut nanostructuri de argint depuse pe un substrat solid (sticla).Astfel o sare de argint este dispersata intr-o matrice polimerica si depusa prin spin-coating in film subtire pe suportul de sticla. Apoi prin focalizarea laserului in pulsuri pe acest film se declanseaza o reactie fotochimica, prin care in locul iradiat se formeaza structuri metalice de Ag. Pentru o analiza morfologica a firelor metalice obtinute am apelat la microscopia electronica de baleiaj (SEM) si la microscopia de forta atomica (AFM). Analizele arata ca firele metalice fabricate au o structura granulara, ceea ce este de fapt un rezultat al mecanismului de formare al acestor fire. Se presupune ca prin iradierea laser se formeaza particule foarte fine, cu dimensiuni nanometrice, care datorita efectelor termice adera reciproc, formanda o structura cvasi-continua. Rezultatele de mai sus au fost prezentate la conferinta internationala PIM 2007 - Procese Izotopice si Moleculare (Conference on Isotopic and Molecular Processes), Cluj-Napoca, septembrie, 2007, urmand a fi publicate.

B) In timp ce activitatile partenerului CO au fost centrate direct asupra implemetarii unor metode fizico- chimice (sinteza, biosinteza, reactii fotoinduse laser, tratament termice, corodare, nanoliografie) pentru prepararea nanostructurilor metalo-polimerice, o alta parte importanta a activitatilor partenrilor au fost legate de caracterizarea morfologica, structurala, chimica si optica a nanoparticulelor si nanostructurilor, in vederea optimizarii proprietatilor plasmonice. In acest sens, s-a facut apel la posibilitatile experimentale din laboratoarele partenerilor internationali dar si la propriile dotari realizate in urma investitiilor din proiect. In cadrul AII.3 s-au efectuat, in conformitate cu planul de activitati, caracterizari microscopice de inalta rezolutie prin microspectroscopie optica confocala, transmisie si reflexie optica, microscopie „dark-field”, difractie de raze X si difractie electronica a reţelelor ordonate de nanosfere de polistiren corodate fizic şi a nanoparticulelor cu forme anizotrope obţinute. Imaginile SEM/AFM ne-au permis sa intelegem mai bine proprietatile optice ale filmelor nanostructurate. Astfel s-a observat faptul că reţeaua de nanosfere nu este intodeauna o structură periodica ideală, deoarece prezinta o serie de defecte (punctiforme, liniare) si vacante de cristalizare. Aceste defecte modifică pe de parte periodicitatea aranjamentului si pe de alta parte distanţele dintre sfere şi prin urmare răspunsul optic al acestora. Totusi exista arii de citeva sute de micrometri patrati unde aceste defecte lipsesc.

Din punct de vedere optic, aceste structuri prezintă o serie de proprietati deosebite. Astfel, analizând spectrele de transmisie şi reflectivitate, s-a observat existenţa unui minim proeminent situat, in cazul sferelor de diametru 450 nm la lungimea de unda 570 nm. Acest minim nu are de a face cu polistirenului bulk deoarece polistirenul este perfect transparent in domeniul vizibil. Acest comportament este datorat in exclusivitate unui fenomen de interacţiune rezonanta a luminii incidente cu reteaua de sfere de polistiren care joaca rolul unei retele de difractie, cunoscut sub denumirea de rezonanta de imprastiere Mie. Pozitia minimului este legat de diameterul sferei prin relatia D=λ/neff (unde neff = 1.26 este indicele efectiv creat de o sfera de polistiren de indice npolistiren=1.56. Pentru valori λ mai mari decan lungimea de unda de rezonanta, această structură prezintă un caracter antireflectiv, caracter ce se manifestă prin scăderea intensitatii reflectivitate. In aceste domenii spectrale se observă o creştere a transmisivităţii luminii in comparatie cu transmisia optica a unei lame de sticlă neacoperite. Mai mult, studiul proprietatilor optice al catorva din nanostructuri de aur preparate prin depunerea de filme metalice peste retelele de nanosfere polimerice s-a facut prin tehnica SNOM (Scanning Near-field Optical Microscopy) la partenerul german, Universitatea Friedrich Schiller din Jena. Aceasta este o tehnica microscopie near-field de inalta rezolutie (50 nm) prin care se genereaza imagini ale campurilor electromagnetice evanescente din jurul nanoparticulelor sau nanostructurilor de metal nobil. S-a efectuat acest tip de masuratori pe trei tipuri de probe: 1) film depus peste sferele polimerice necorodate, 2) retea de nanoparticule obtinuta prin inlaturarea sferelor polimerice dupa depunerea filmului metalic, si 3) retea de nano-orificii obtinuta prin depunerea unui film metalic peste o retea de sfere corodate si apoi inlaturarea sferelor prin dizolvare.

În continuare, dupa prepararea nanoparticulelor de aur de forma triughiulara, s-a pus problema determinarii structurii lor cristaline. In acest scop s-au folosit ca metode de analiză difracţia de raze X şi de electroni. Echipamentul folosit a fost un difractometru BRUKER D8

6

6

Advance Difractometer (λ = 1.5418 Å). Pentru măsurători de difracţie de raze X s-a depus o picătură de soluţie ce conţine triunghiuri de aur pe o placuţă de sticlă de microscop şi s-a lăsat să se evapore apa. S-a observat că spectrul de difracţie de raze X prezintă doua reflexii Bragg care pot fi atribuite structurii cubice cu feţe centrate (cfc) a nanocristalului de aur. Maximele de difracţie centrate la 2θ = 38,37° şi 2θ = 81,91° corespund planelor reţelei cubice cu feţe centrate a aurului (111) şi respectiv (311).

C) S-au studiat proprietatile optice si amplificarea semnalului Raman (SERS) al unor molecule depuse pe filme de argint depuse peste retele de nanosfere. Un efect al interactiunii rezonante dintre lumina si un film metalic nanostructurat este cresterea importanta a intensitatii cimpului electromagnetic localizat in apropierea suprafetei metalice. Acest efect permite in mod particular amplificarea spectrului Raman al moleculelor adsorbite la suprafata metalului. Aceste efect sta la baza spectroscopiei optice ultrasensibile cunoscuta sub denumirea de SERS (surface-enhanced Raman scattering). Pozitia maximului de absorbtie plasmonica, largimea benzii respective si valoarea amplificarii SERS depind substantial de forma, dimensiunea, morfologia, gradul de organizare nanostructurala precum si de proprietatile dielectrice ale mediului din imediata sa vecinatate.S-a avansat ipoteza existentei unui mecanism de transmisie in care plasmonii de suprafata (atat propagativi cat si localizati) au un rol activ. Studiul acestor proprietati neobisnuite de transmisie este in curs de derulare prin efectuarea de masuratori spectrofotometrice la diferite unghiuri de incidenta ale luminii si reprezentarea de benzi de energie fotonica/plasmonica. Elucidarea mecanismului de transmisie amplificata va constitui un pas important spre aplicatii deosebite in nanofotonica, plasmonica, nanolitografie, senzoristica, etc.

D) In cadrul activitatii de cercetare teoretica, CO a elaborat un nou cod şi un nou algoritm de simulare a formarii nanostructurilor de tip cluster bazat pe metoda cinetică Monte-Carlo. Acest studiu este necesar pentru intelegerea formarii prin sinteza chimica a unei largi varietati de forme de nanocristale. In plus descrierea teoretică a formării de structuri auto-organizate în urma depunerilor pe suprafeţe este de importanţă deosebită pentru realizarea unor straturi subţiri sau a unor nanostructuri pentru aplicaţii practice. Simulările computaţionale pot furniza informaţii importante experimentatorilor, economisînd multe încercări inutile şi mulţi bani investiţi în experimente. Descrierea teoretică a proceselor microscopice care duc la auto-organizare şi la comportări colective ale atomilor sau a moleculelor este important şi din punct de vedere fundamental în fizică, contribuind la clarificarea naturii interacţiunilor şi a dinamicii relevante la nivel atomic şi molecular. În studiul nostru ne-am propus să utilizăm şi să dezvoltăm o metodă care îmbunătăţeşte performanţele metodelor folosite pînă în prezent. Mai concret, în simulări ne-am concentrat in a utiliza bariere de potenţial realiste, uşor şi rapid calculabile şi de a include cît mai multe grade de libertate realiste pentru mişcarea atomilor. Pentru fiecare grad de libertate s-a definit o rată de eveniment (sau probabilitate de eveniment) din care s-a calculat din bariera de potenţial care trebuie învinsă astfel ca evenimentul să se realizeze. Metoda noastră a oferit multe avantaje, care au fost exemplificate considerînd probleme concrete: evoluţia şi anihilarea defecetelor de “impachetare” în urma mono-epitaxiei unui component, respectiv formarea unor insule auto-organizate specifice în urma hetero-epitaxiei o două componente. Conducătorul de proiect – Universitatea Babes – Bolyai si-a indeplinit in intregime obiectivele etapei

Partenerul P1- Universitatea Tehnica Cluj-Napoca Partenerul P1 a testat si aplicat un procedeu original care a permis modificarea in mod controlat a morfologiei reţelelor de nanosfere de polistiren depuse prin auto-asamblare pe substrate solide de catre partenerul CO (vezi etapa anterioara). Realizarea cu succes a acestei etape a conditionat progresul cercetarii in celelalte activitati avand in vedere ca prin depunerea de filme metalice peste retelele cu morfologie modificata s-au obtinut structuri metalice cu proprietati plasmonice (rezonante) optimizate.

Astfel in cadrul acestei activitati s-a utilizat o instalaţie de pulverizare catodica de radio-frecventa (RF Sputtering) in care pulverizarea catodica a tintei s-a realizat cu fascicole de ioni de

7

7

oxigen. Rolul de tinta a fost jucat de catre filmul de sfere de polistiren depus pe sticla de microscop. Procesul de corodare fizica a tintei fost controlat fie prin timpul de expunere a tintei in fascicul, fie prin energia ionilor data de tensiunea de accelerare a lor. De mentionat faptul ca filmul polimeric s-a montat in locul „tintei”, astfel incat ionii accelerati inspre substrat au realizat corodarea. Într- prima incercare s-au utilizat fascicole de ioni de argon, la o presiune de 80mtorr. S-au tesat trei plăcuţe de sticlă acoperite cu filme monostrat de sfere de polistiren, care s-au expus 5min, 15min şi respectiv 45 min fascicolului de ioni. Din analiza de microscopie electronica efectuata, a rezultat faptul ca reţelele de sfere de polistiren prin expunere la ioni de argon nu sufera modificari semnificative de dimensiune si forma (morfologie), ceea ce denota faptul ca ioni de argon nu pot rupe structura polimerica. Ca urmare s-a utilizat un fascicol de ioni de oxigen, avind in vedere reactivitatea crescuta a ionilor acestui gaz. S-au testat cinci plăcuţe de sticlă acoperite cu un monostrat de nanosfere de polistiren, care s-au expus, intervale diferite de timp, fascicolului de ioni de oxigen. Acest tip de corodare s-a desfasurat cu succes. Filmele de polistiren obtinute mai sus prin corodare in plasma de oxigen au fost utilizate ca măşti litografice si au fost acoperite prin evaporare termică în vid cu filme de aur de grosimi de la 40nm la 200 nm. Pentru a îmbunătăţi fixarea filmului de aur pe substratul de sticlă, un film subtire de crom a fost depus în prealabil pe substratul de sticlă. Dupa depunerea filmului de aur s-au eliminat sferelor de polistiren prin dizolvare în toluen. si s-au putut obţine filme de aur de diferite grosimi perforate de reţele ordonate de nano-goluri de diferite diametre.. Rezultatele sunt in curs de interpretare in vederea publicarii.

Depunerea filmelor de metal nobil s-a efectuat prin metoda evaporarii in vid prin bombardament cu fasciclul de electroni, operatie descrisa anterior. Acest procedeu de corodare va continua in etapa viitoare cand se va extinde si la alte materiale. Rezultate obtinute sunt foarte incurajatoare pentru succesul etapei ulterioare ale proiectului. Partenerul P1- Universitatea Tehnica Cluj-Napoca si-a indeplinit in intregime obiectivele etapei. Partenerul P2 – Universitatea de Stiinte Agricole si Medicina Veterinara Cluj-Napoca

Studiul interactiunii dintre nanoparticulele si diverse biomolecule (aminoacizi) sau nanobiostructuri complexe (proteine, enzime, ADN) a devenit un subiect important de cercetare in ultimii ani. O mare provocare reprezinta nanomedicina si imagistica intracelulara, in care se utilizeaza nanoparticule bioconjugate capabile să sondeze celulele in vivo, traversand membrana şi eliberand medicamentul în celulă. Este demonstrat faptul ca proteinele imobilizate la suprafaţa nanoparticulelor de metal nobil pot sa prezinte o strctura total diferit faţă de soluţie sau mediul biologic nativ iar înţelegerea interacţiunii dintre proteine şi suprafaţa metalului devine foarte importantă pentru biosenzoristica, studii de biotoxicitate sau proiectarea agenţilor de transport intracelular . In ultimii ani nanoparticule de aur s-au biofunctionalizat cu diversi intermediari, cum sunt maleinimida sau N- succinimida, utilizate pentru a lega alte biomolecule de interes biomedical. In cadrul acestei etape P2 a testat patru tipuri de biomolecule, in principal molecule ce conţin grupări tiolice, tinând seama de afinitatea aurului pentru legarea S. Acestea au fost molecule simple: cisteină, glutation, insulinǎ şi albumina sericǎ. Experimente au fost efectuate cu aur coloidal (suspensie) incubat cu diferite biomolecule conţinând grupari tiolice. S-au aplicat diferite variante de imobilizare utilizând aur coloidal, sub forma de suspensie. S-au realizat solutii de concentratie 0,1 M din fiecare tip molecular si s-au inregistrat spectrele optice. Analizele au fost effectuate utilizand cuve de cuarţ a cate 1 ml.

În fiecare cuva au fost adaugate urmatoarele cantitaţi: 500 µl solutie mama de aur + 500 µl solutie de : A1 – H2O ; A4 – solutia nanogold ; C1 – glutation ; C4 – insulina ; E1 – cisteina ; E4 – BSA S-au inregistrat spectre UV-Vis caracteristice de Au coloidal incubat cu diferite molecule pentru a se identifica funcţionalizarea. Avand in vedere rezultatul foarte convigator al legarii glutathionului de suprafata aurului, s-au efectuat studii suplimentare pentru a studia dinamica de interactiune intre glutation si AuC in diferite rapoarte de masa ( 3 experimente). De asemenea s-a studiat efectul pH-ului asupra formării şi a stabilitatii conjugatului Au-glutation. In cazul utilizarii BSA pentru a fi funcţionalizat AuC, pentru un raport 1 g BSA/1l AuC deplasarea maximului

8

8

corespunzând conjugatului a fost constanta, de 3 nm cu scadere pe durata a 21 ore. In cazul utilizarii Cysteinei, la un raport 0,1 moli/1 l AuC, s-a constatat o deplasare constantă a maximului de 1nm cu tendinta de scadere a absorbantei pe durata a 21 ore. In cazul utilizarii Insulinei, la un raport 0,1 moli/1 l AuC, deplasarea maximului a fost de 3 nm, cu tendinţă de scadere pe durata a 21 ore. In cazul utilizarii Glutationului, s-au constatat cele mai spectaculoase modificări, care denotă o conjugare stabilă cu AuC şi o deplasare constantă de 1nm. La un raport Glu/AuC = 0,1 moli/1l , depl de 3 nm, cu scadere pe durata a 21 ore. La raport Glu/AuC = 0,2 moli/l, depl de 16 nm cu scadere pe durata a 21 ore. In general, deplasarea lungimii de absorbtie Vis denota formarea unui conjugat. Când raportul Glu/AuC este 0,1 deplasarea e mică dar cind raportul devine 0,2 deplasarea devine spectaculos de mare, si anume 16 nm ( 600-616 nm). Pentru evaluarea functionalitatii biomoleculelor fixate pe nanostructuri prin reactii biochimice specifice (testarea activitatii in culturi celulare) s-au folosit suspensii celulare (Sacharomyces

cerevisiae) ca indicator al identificǎrii, al incorporarii, si al functionalitatii nanostructurilor functionalizate initiale de tip AuC-glutation. Au fost efectuate investigatii microscopice, incercind a identifica localizarea nanoparticulelor de Au si a conjugatelor AuC-glutation in spatiul celular. Initial in camera de numarare, prin microscopie s-a evaluat nr de celule /ml , pânǎ la o valoare de 105 celule/ml. Apoi s-au efectuat 4 dilutii si s-a masurat absorbtia la 520 si 620 nm . Pe baza ecestor date s-a efectuat curba de etalonare spectrometrica, utila pentru evaluarea dinamicii de crestere celulara in prezenta AuC, AuC functionalizat cu glutation si a altor variante. S-a determinat efectul AuC cu sau fara functionalizare cu glutation asupra proliferǎrii celulare, pe durata a 24 de ore. Este evidenta interactiunea AuC si AuC-glutation cu elementele celulare, cu efect asupra proliferarii. Sunt necesare studii complementare pentru a putea evidentia localizarea AuC si a AuC-glutation la nivel celular, atit prin microscopie cit si prin spectroscopise. E necesara elucidarea mecanismelor prin care AuC poate conjuga la nivel celular biomolecule, cu o afinitate mai mare decit o face glutationul.

În etapa de faţă, partenerul P2 si-a atins obiectivele prevăzute în planul de activitate.

Partenerul P3 - Universitatea Babes - Bolyai - Institutul de Cercetari in Chimie „Raluca Ripan”

Cluj-Napoca Particulele semiconductoare de dimensiuni nanometrice au atras un interes deosebit în

ultimele două decade datorită proprietăţilor lor fizice şi chimice unice corelate in principal cu „efectul de dimensiune cuantică”. Controlul dimensiunii şi morfologiei nanoparticulelor (NP) a devenit o necesitate pentru sistemele pe bază de sulfură de zinc nanoparticulată (ZnS-NP) cu un vast domeniu aplicativ în confecţionarea de dispozitive electroluminescente cu filme subţiri, LED-uri tip monostrat, pentru înmagazinarea datelor, conversia de mare eficienţă a energiei solare, panouri « display » şi marcatori biologici. Dezvoltarea materialelor pe bază de ZnS NP cu potenţial aplicativ ridicat implică : • Găsirea unor metode de sinteză, mai simple şi mai blânde pentru producerea ZnS-NP • Creşterea numarului de date experimentale pentru verificarea conceptelor şi modelelor teoretice

deja existente sau care urmează a fi propuse. • Imbunăţăţirea modului de înţelegere a relaţiei gazdă-dopant în corelare cu proprietăţile optice

speciale. In cadrul acestui proiect, partenerul UBB-ICCRR a avut ca obiectiv principal obţinerea de

nanoparticule semiconductoare cu proprietati luminescente controlabile care urmează a fi depuse pe substrat solid sau înglobate în filme polimerice. În etapa de faţă cu titlul partenerul UBB-ICCRR s-a implicat în realizarea următoarelor activităţi: • Sinteza si caracterizarea unor unor nanoparticule coloidale de calcogenuri metalice dopate sau

nu cu ioni Mn2+. • Inglobarera nanoparticulelor coloidale sintetizate în matrici de filme polimerice. Caracterizarea

optica nancompozitelor polimer-semiconductor

9

9

Prepararea probelor de pulbere înalt dispersă de sulfură de zinc s-a făcut prin reacţia dintre acetat de zinc şi tioacetamidă, in mediu acid. Pentru a asigura uniformitatea granulometrică şi dispersia particulelor de ZnS s-a utilizat metoda ultrasonării. Caracterizarea probelor obţinute s-a făcut prin analiză termogravimetrică şi diferenţială, spectroscopie FTIR, microscopie electronică de baleiaj (SEM) şi spectroscopie de fotoluminescenţă. Proprietăţile de fotoluminescenţă PL ale probelor s-au evaluat prin spectroscopie de fluorescenţă. Spectrele de emisie au fost înregistrate cu un spectrofluorimetru JASCO FP-6500 (λext=365 nm), cu corecţie faţă de MgO. Spectrele de emisie fotoluminescentă prezintă o bandă de emisie largă centrată la aproximativ 535 (C08), 546 (C09), 544 (C04) şi respectiv 545 nm (C05). Din simetria spectrului PL se presupune că acesta este compus din trei benzi suprapuse şi anume: o bandă la ~ 480 nm, datorată sulfurii de zinc autoactivate, o bandă la ~ 505 nm, datorată impurităţilor de oxigen şi o bandă la ~ 545 nm, datorată prezenţei altor impurităţi.

Studiile efectuate au arătat că există o puternică dependenţă între condiţiile experimentale de sinteză şi morfologia respectiv mărimea particulelor de ZnS obţinute. Probele preparate din soluţii 0,1M de acetat de zinc şi tioacetamidă prezintă o distribuţie îngustă a mărimii particulelor sferice. Creşterea concentraţiei reactanţilor are ca rezultat obţinerea unor particule cu morfologii variate (sfere şi plăcuţe) şi cu o distribuţie pe dimensiuni mai largă; creşterea pH-ului conduce la obţinerea de particule mai mici.

In etapa de faţă s-au facut si primele încercări de înglobare a pulberii înalt disperse de sulfură de zinc în matrici de filme polimerice cu scopul realizarii unor nancompozite polimer-semiconductor cu proprietăţi optice speciale. Prepararea probelor de filme polimerice cu sulfură de zinc s-a realizat prin fotopolimerizarea unui amestec omogen format dintr-o fază organică, care generează matricea polimerică şi o fază anorganică, pulberea de sulfură de zinc care constituie materialul de umplutură. Filmele polimerice obţinute sunt de fapt nanocompozite polimerice. Prepararea matricii polimerice s-a realizat prin polimerizarea unui oligomer obtinut din condensarea dintre 1 molecula de bisfenol si 2 molecule de glycidil metacrilat. Pentru caracterizarea optică a filmelor polimerice pe bază de bis-GMA, s-au preparat şi caracterizat probe cu 5, 10, 33 şi 50 % ZnS în compoziţie. Caracterizarea filmelor polimerice cu sulfură de zinc s-a făcut printr-o serie de metode spectroscopice şi anume:

a) Spectroscopie de absorbţie în infraroşu. Spectrele s-au înregistrat în domeniul 4000- 400 cm-1 cu un Spectrometru FTIR JASCO 610;

b) Spectroscopie UV-Vis. Spectrele de transmisie şi reflexie s-au înregistrat în domeniul spectral 200-900 nm cu un Spectrometru UNICAM UV4. Pentru măsurătorile în reflectanţă s-a utilizat o sferă integratoare tip RSA-UC-40. Spectrele de reflexie au fost înregistrate pentru două unghiuri de incidenţă diferite 8º (măsurătoarea indică reflexia totală a filmului) şi 0º (reflexia tip oglindă a filmului este exclusă) faţă de un standard de reflectanţă din Spectralon.

c) Spectroscopie de fotoluminescenţă. Spectrele de emisie luminescentă s-au înregistrat cu un Spectrofluorimetru Wavel JASCO FP-6500, la excitare cu radiaţii UV de 365 nm.

In concluzie, au fost realizate filme de matrici polimerice cu conţinut variabil de sulfură de zinc. Spectrele de absorbţie FTIR, spectrele de transmisie şi cele de reflexie evidenţiază efectul stării înalt disperse asupra proprietătilor optice. Spectrele de emisie luminescentă relevă o puternică intensificare a emisiei luminescente în raport cu matricea polimerică şi cu pulberea de ZnS.

În etapa de faţă, partenerul ICCRR şi-a atins obiectivele prevăzute în planul de activitate.

Partenerul P4- S.C. ICPE Bistriţa S.A a efectua studii teoretice de modelare electromagnetica a rezonantelor plasmonice. Metalele sunt cunoscute ca materiale ale caror proprietati optice si electrice sunt in mare parte datorate electronilor liberi. Raspunsul liniar la undele electromagnetice incidente este dat de catre functia dielectrica ε(ω). O abordare simpla a modelarii proprietatilor optice ale metalelor este data de modelul Drude-Lorentz- Sommerfeld. Acest model presupune comportamentul de tip gaz electronic al electronilor din metal, pornind de la comportamentul individual al unui electron si multiplicand ulterior acest comportament. Termenul de „plasmon de suprafata” deriva din faptul ca oscilatia tuturor electronilor are loc in raport cu miezul ionic, cauza

10

10

principala a aparitiei fortei elastice este data de polarizarea de suprafata. Polarizarea de suprafata se datoreaza sarcinilor din interiorul stratului de ecranare, care, in cazul metalelor cu proprietati conductoare bune este de ordinul distantei interatomice. Aceasta interpretare se poate extinde usor si la nanostructurile de forma elipsoidala. Mie a fost primul care a dat solutia generala , prin prisma electrodinamicii clasice , pentru difractia undei electromagnetice pe o sfera dintr-un material oarecare. El a aplicat ecuatiile lui Maxwell , cu anumite conditii la limita, in coordonate sferice, utilizand o dezvoltare multipolara a campurilor electric si magnetic incident. Metoda discret dipol approximation (DDA) este o metoda de tratare exacta a solutiei ecuatiilor lui Maxwell. In cadrul acestei activitati s-a implementat metoda DDA pentru nanostructuri particulare, rulindu-se programul DDSCAT 6.1 care este un pachet soft , cu distributie libera.. Acest pachet de programe este scris in Fortran 77 si utilizeaza metoda DDA pentru a calcula imprastierea si absorbtia undelor electromagnetice pe tinte cu geometrie arbitrara si indice de refractie complex.

Pachetul soft DDSCAT 6.1 a fost rulat pentru simularea raspunsului la radiatia electromagnetica incidenta pentru cateva cazuri particulare de nanostructuri metalice de aur. Au fost alese pentru simulare nanoparticule de forma sferica si de forma cilindrica (bastonase). Rezultatele de simulare s-au comparat cu rezultatelee experimentale obtinute de partenerul CO si se afla in curs de publicare. In concluzie, metoda DDA si pachetul soft DDSCAT 6.1. sunt adecvate analizei din punct de vedere optic a nanostructurilor din metale nobile. De asemenea, avand in vedere ca DDSCAT 6.1. permite generarea unor tinte de forme si dimensiuni diferite (la aceasta versiune 21 de tipuri geometrice) este posibil sa obtinem corelatii intre spectrele experimentale si cele obtinute prin simulare numerica in vederea identificarii calitative si cantitative a constituentilor. În etapa de faţă, S.C. ICPE Bistriţa S.A şi-a atins obiectivele prevăzute în planul de activitate.

In etapa de fată, toate obiectivele propuse spre rezolvare au fost atinse.

Director de Proiect

Prof dr Simion Astilean