Μεταπτυχιακό Πρόγραµµα Σπουδών «Επιστήµης των Υλικών» Μεσοπορώδη Βιοενεργά Υλικά

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙ ΙΚΕΥΣΗΣ Μεταπτυχιακό Πρόγραµµα Σπουδών «Επιστήµης των Υλικών» Μεσοπορώδη Βιοενεργά Υλικά Βασιλακοπούλου Αναστασία Α.Μ: 49 Επιβλέπων καθηγητής: ρ. Ι. Κούτσελας Πάτρα, 2013

2 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙ ΙΚΕΥΣΗΣ Μεταπτυχιακό Πρόγραµµα Σπουδών «Επιστήµης των Υλικών» Μεσοπορώδη Βιοενεργά Υλικά Βασιλακοπούλου Αναστασία Α.Μ: 49 Πάτρα 2013 Επιβλέπων Καθηγητής: ρ. Ι. Κούτσελας 2

3 Ευχαριστίες Θα ήθελα να εκφράσω τις ευχαριστίες µου σε όσους µε βοήθησαν καθ όλη τη διάρκεια της διπλωµατικής µου εργασίας. Ιδιαίτερα θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή της εργασίας ρ. Ιωάννη Κούτσελα, Επίκουρο καθηγητή του Τµήµατος Επιστήµης των Υλικών, για τις πολύτιµες γνώσεις του και την αµέριστη συµπαράσταση αλλά και την καθοδήγηση του καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης της διπλωµατικής µου εργασίας. Επιπλέον, θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένεια µου καθώς και τους φίλους µου για την συνεχή υποστήριξη και ενθάρρυνση τους για την διεκπεραίωση της µεταπτυχιακής µου εργασίας. Εξώφυλλο. Φωτογραφία SEM από µεσοπορώδες βιοενεργό υλικό της εργασίας αυτής που έχει παραµείνει σε υγρό SBF 6 ώρες. 3

4 Περίληψη Στην παρούσα µεταπτυχιακή εργασία ειδίκευσης περιγράφεται η σύνθεση και ο χαρακτηρισµός νέων µεσοπορωδών βιοενεργών υλικών. Παρουσιάζονται οι συσχετιζόµενες µε τα πορώδη/µεσοπορώδη υλικά έννοιες, οι ιδιότητες τους και διάφοροι τρόποι σύνθεσης τους. Εν συνεχεία, αναλύονται θέµατα βιουλικών, δίνοντας έµφαση στις βιοϋάλους και τις ιδιότητες τους, και ειδικότερα στη βιονεργότητα, που αποτελεί την πιο χαρακτηριστική ιδιότητα αυτών, ενώ δίνεται έµφαση, επίσης στις διάφορες µεθόδους που χρησιµοποιούνται για την σύνθεση τους. Στην συνέχεια αναλύονται οι τεχνικές που χρησιµοποιήθηκαν για το χαρακτηρισµό των προαναφερθέντων υλικών καθώς και ο τρόπος λειτουργίας της κάθε τεχνικής. Επίσης, γίνεται αναφορά στα διαφορετικά χαρακτηριστικά των υλικών που µπορούν να µελετηθούν για κάθε τεχνική ξεχωριστά. Στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζεται αναλυτικά η διαδικασία διεξαγωγής των πειραµάτων, οι διάφοροι τρόποι σύνθεσης που χρησιµοποιήθηκαν, καθώς και σχολιασµός των αποτελεσµάτων. Τέλος, παρουσιάζονται τα συµπεράσµατα που προέκυψαν από τα πειραµατικά αποτελέσµατα για την παρούσα µεταπτυχιακή εργασία. Επίσης γίνεται αναφορά και σε µελλοντικές κατευθύνσεις που περιλαµβάνουν την χρήση αυτών των υλικών σε σύνθετα υλικά για παλµική εναπόθεση µε Laser και τεχνικές εναπόθεσης λεπτού υµενίου. 4

5 Abstract In this master thesis the synthesis and characterization of novel bioactive mesoporous materials is being reported. The notions related to porous/mesoporous materials, their properties and various synthetic methods are being discussed. Subsequently, the notion of biomaterials is further analyzed, focusing on bioglasses and their properties. The meaning of bioactivity is also analyzed as the most characteristic feature of bioglasses while various methods used for the synthesis of these are discussed. Following the techniques used to characterize these materials as well as the operating mode of each technique is discussed. In the last chapter, the experimental processes are reported as well as the results are being discussed. Finally, the conclusions of all the experiments and analysis are reported. Also, future directions include the usage of these materials in composite materials for laser ablation and thin film deposition techniques are mentioned. 5

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο 1. Πορώδη Υλικά Φυσικοχηµικές Ιδιότητες Σχηµατισµός Μεσοπορώδων 14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο 2. Βιοϋλικά Βιοϋαλοί - Ιδιότητες Μηχανισµοί Βιοενεργότητας Μέθοδοι Παρασκευής Βιοενεργών Υάλων Μέθοδος ιαδικασίας Sol-Gel 24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 o 3.1 Τεχνικές Χαρακτηρισµού Περίθλαση Ακτίνων-Χ (XRD) Ηλεκτρονική Μικροσκόπια Σάρωσης (SEM) Φασµατοσκοπία Ενεργειακής ιασποράς Ακτίνων-Χ (EDX) Ηλεκτρονική Μικροσκοπία ιαπερατότητας (ΤΕΜ) Φασµατοσκοπία IR Εσωτερικής Ανάκλασης (ATR-IR) Φασµατοσκοπία Raman Θερµικές Μέθοδοι Θερµοβαρυτοµετρική Ανάλυση (TGA) ιαφορική Θερµική Ανάλυση (DTA) Ποροσιµετρία Μέσω Προσρόφησης Αερίου Έλεγχος Βιοενεργότητας 45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 o ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 4.1 Οργανολογία Σύνθεση 48 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 o 5.1 Ανάλυση Αποτελεσµάτων Συµπεράσµατα 75 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 77 6

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο 1. Πορώδη Υλικά - Φυσικοχηµικές Ιδιότητες Τα πορώδη υλικά είναι µία ειδική κατηγορία σύνθετων υλικών που εµφανίζονται σε πληθώρα διεργασιών µε µεγάλο τεχνολογικό και επιστηµονικό ενδιαφέρον. Είναι ετερογενή, πολυφασικά υλικά τα οποία συνήθως διαθέτουν πόρους και συνεπώς διαθέτουν και µεγάλη επιφάνεια. Έτσι για παράδειγµα επιτρέπουν τη ροή, τη µεταφορά µάζας, την αλλαγή φάσης και την προσρόφηση ρευστών µέσα στη δοµή τους. Ακριβέστερα, σαν πορώδες µέσο ορίζεται η περιοχή του χώρου η οποία καταλαµβάνεται από ετερογενή (πολλών φάσεων) ύλη. Μία τουλάχιστον από τις φάσεις αντιστοιχεί σε στερεό (ή στερεά πορώδης µήτρα) και µία τουλάχιστον σε ρευστό (πόροι) 1. Σύµφωνα µε τον ορισµό κατά IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) ένα στερεό θεωρείται πορώδες όταν διαθέτει πόρους, δηλαδή κοιλότητες, κανάλια ή διάκενα, τα οποία έχουν µεγαλύτερο βάθος (µήκος) από ότι πλάτος 2. Τα δίκτυα των πόρων σε ένα πορώδες στερεό παρουσιάζουν µεγάλη ποικιλία ως προς το µέγεθος και το σχήµα των πόρων που το συνιστούν, των οποίων η µορφή και το πλήθος εξαρτάται από τη µέθοδο παρασκευής του υλικού. Ένα χαρακτηριστικό γνώρισµα των πορωδών υλικών ιδιαίτερου ενδιαφέροντος για την αξιοποίηση τους σε διάφορες διεργασίες είναι το µέγεθος των πόρων d. Οι πόροι ανάλογα µε τις διαστάσεις τους ταξινοµούνται σε τρεις γενικές κατηγορίες σύµφωνα µε τον ορισµό της IUPAC, ως εξής: i. Μικροπόροι, µε διάµετρο µικρότερη από 2.0 nm, ii. Μεσοπόροι, µε διάµετρο µεταξύ 2.0 nm και 50.0 nm και iii. Μακροπόροι, µε διάµετρο µεγαλύτερη από 50.0 nm. Λαµβάνοντας υπόψη τις διαστάσεις του επικρατέστερου πλήθους πόρων, τα υλικά ταξινοµούνται σε τρεις γενικές κατηγορίες και χαρακτηρίζονται αντίστοιχα ως: i. Μικροπορώδη ii. Μεσοπορώδη iii. Μακροπορώδη Βάση για την ταξινόµηση αυτή αποτελεί το γεγονός ότι είναι δυνατή η σύνθεση υλικών που διαθέτουν µόνο πόρους της κάθε παραπάνω κατηγορίας. Το είδος των πόρων χαρακτηρίζεται από διαφορετικές φυσικοχηµικές ιδιότητες οι οποίες 7

8 αναλύονται παρακάτω. Επιπλέον, το είδος των πόρων προσδίδει διαφορετικά χαρακτηριστικά κατά τον χαρακτηρισµό του πορώδους µε προσρόφηση και υγροποίηση αεριών, µε συνέπεια διαφορετική φυσικοχηµική συµπεριφορά. Για παράδειγµα, στους µικροπόρους το δυναµικό αλληλεπίδρασης µεταξύ των µορίων του αερίου και του στερεού είναι σηµαντικά υψηλότερο λόγω µικρής απόστασης των τοιχωµάτων, µε αποτέλεσµα τη γρήγορη (σε µικρές σχετικές πιέσεις) πλήρωση τους. Στους µεσοπόρους λαµβάνει χώρα το φαινόµενο της τριχοειδούς συµπύκνωσης, που συνοδεύεται από χαρακτηριστικό βρόχο υστέρησης στην ισόθερµο προσρόφησης 1,3. Τέλος, οι µακροπόροι, λόγω του µεγάλου µεγέθους τους, πληρούνται σε σχετικές πιέσεις πολύ κοντά στη µονάδα. Στην εικόνα 1 παρακάτω, από ηλεκτρονικό µικροσκόπιο SEM, βλέπουµε κάποιες τυπικές δοµές πορωδών υλικών. Από αριστερά βλέπουµε µια ινώδη µορφή ενός πορώδους πολυµερούς, δίπλα τη χαρακτηριστική νανοπορώδη δοµή του χρυσού, κάτω και αριστερά τη χαρακτηριστική πορώδη µορφή των µεµβρανών και τέλος ένα τυπικό σφαιρικό µεσοπορώδες υλικό. Εικόνα 1: Τυπικές δοµές πορωδών υλικών από ηλεκτρονικό µικροσκόπιο σάρωσης.. Αριστερά φαίνεται η ινώδης µορφή ενός πορώδους πολυµερούς, δεξιά η νανοπορώδη δοµή 8

9 χρυσού, κάτω αριστερά η χαρακτηριστική πορώδη µορφή των µεµβρανών, και ένα τυπικό σφαιρικό µεσοπορώδες υλικό. 4 Επιπλέον, τα πορώδη υλικά µπορούν να διακριθούν σε φυσικά και συνθετικά. Τα φυσικά πορώδη υλικά µπορεί να είναι γεωλογικά ή βιολογικά ανάλογα µε την προέλευση τους. Τα φυσικά πορώδη συνήθως παρουσιάζουν µεγαλύτερο µέγεθος πόρων από ότι τα συνθετικά 1. Το πρώτα φυσικό πορώδες που περιγράφηκε ποτέ είναι ο φυσικός ζεόλιθος στιλβίτης που καταγράφηκε από το Σουηδό µεταλλειολόγο Axel.F.Cronstedt πριν από περίπου 250 χρόνια. Οι φυσικοί ζεόλιθοι είναι µικροπορώδεις, αργιλοπυριτικές κρυσταλλικές ενώσεις,που περιέχουν αλκάλια και αλκαλικές γαίες, οι οποίες αποτελούνται από τετράεδρα SiO 4 και AlO 4 που σχηµατίζουν κρυσταλλικά πλέγµατα σε µία δύο ή τρεις διαστάσεις. Υπάρχουν περίπου 45 διαφορετικά είδη ζεόλιθων που προέρχονται από τη διαφορετική συνένωση των τετραέδρων και από τα διαφορετικά ιόντα που υπάρχουν στο πλέγµα τους. Οι φυσικοί ζεόλιθοι χαρακτηρίζονται από µικρούς µεγέθους πόρους (3x x10-4 µm) και συνολική ειδική επιφάνεια της τάξης των m 2 /g. Οι συνθετικοί ζεόλιθοι ήταν τα πρώτα τεχνικά µικροπορώδη υλικά 5,6. Στην εικόνα 2 βλέπουµε την χαρακτηριστική πορώδη δοµή ενός ζεόλιθου όπως φαίνεται στο ηλεκτρονικό µικροσκόπιο σάρωσης. Εικόνα 2: Φυσικός ζεόλιθος όπως φαίνεται στο ηλεκτρονικό µικροσκόπιο σάρωσης. Οι πρώτοι συνθετικοί ζεόλιθοι κατασκευάστηκαν και κατηγοριοποιήθηκαν από τον R.M.Barrer και από τότε αυτά τα υλικά χρησιµοποιήθηκαν κυρίως για τον µεταβολισµό υδρογονανθράκων 6. Με την πάροδο των χρόνων όµως οι ερευνητές της 9

10 Exxon Mobil ανακάλυψαν την νέα κατηγόρια υλικών τα MCM-41 (Mobil Composition of Matter No. 41), ή τα MCM-48 (Mobil Composition of Matter No. 48) που έφεραν νέες προοπτικές εφαρµογών. Αυτά τα υλικά διαθέτουν µεγαλύτερο πορώδες από 20Å έως 500Å, µεγαλύτερη ειδική επιφάνεια (600m 2 /g έως 1300m 2 /g) και διαφορετική πλεγµατική σύσταση στοιχεία που τους δίνουν τη δυνατότητα να χρησιµοποιηθούν σε αντιδράσεις κατάλυσης µεγαλύτερων µορίων αλλά και σαν µήτρες νέων νανοσωµατιδίων 7. Στην εικόνα 3 παρακάτω φαίνεται µία απεικόνιση της δοµής του MCM-41 από το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο διαπερατότητας, όπου οι µεσοπόροι διατάσσονται σε µια κυψελοειδή εξαγωνική δοµή η οποία διαχωρίζεται από λεπτά άµορφα τοιχώµατα πυρίτιας. Το µέγεθος των πόρων αυτού του συγκεκριµένου MCM-41 έχει περίπου διάµετρο 2.5nm, ενώ η πρώτη περιοδική απόσταση των πόρων είναι περίπου 10 nm, και στη ένθετη φωτογραφία παρουσιάζεται το φάσµα περίθλαση ηλεκτρονίων. Εικόνα 3: Σχηµατική απεικόνιση της δοµής του MCM Σε αντίθεση µε τους ζεόλιθους που για την σύνθεση τους χρησιµοποιούνταν κυρίως παράγωγα τεταρτοταγών αλκυλαµωνίων, µε την ανακάλυψη αυτή έγινε εφικτή η σύνθεση µεσοπορωδών υλικών µε τη χρήση µίας µεγάλης ποικιλίας ιονικών και µη ιονικών τασιενεργών ενώσεων. Η χρήση τασιενεργών για την δηµιουργία µικκυλίων κρυστάλλωσης δεν οδηγεί σε αυστηρώς κρυσταλλικά υλικά µε οργανωµένη δοµή, γεγονός που σε αντίθεση µε τους ζεόλιθους άρει κάποιους από τους περιορισµούς που υπήρχαν στην σύνθεση τους επιτρέποντας την χρήση µεγαλύτερους εύρους οξειδίων 10

11 και αλάτων. Τα τασιενεργά µπορούν να αντιδρούν µεταξύ τους ή µε άλλα αντιδραστήρια και να αυτοοργανώνονται σε διαφορετικές µεσοφασικές δοµές οι οποίες µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την επίτευξη πολλαπλών µοριακών σχεδιασµών 9,10. Τα µόρια αυτά διαθέτουν τουλάχιστον µια υδρόφιλη κεφαλή και µια υδροφοβική ουρά, έχοντας την δυνατότητα ακόµα και σε χαµηλές συγκεντρώσεις να απορροφούνται από τις επιφάνειες και να µειώνουν σηµαντικά την επιφανειακή ενέργεια, µε σηµαντική επίδραση των εντροπικών όρων. Το σχηµατικό µοντέλο Head-Tail (κεφαλής-ουράς) χρησιµοποιείται ευρέως στη γραφική αναπαράσταση απλών τασιενεργών όπου η ουρά συµβολίζει την υδρόφοβη οµάδα και η κεφαλή την υδρόφιλη 11 και παρουσιάζεται στην εικόνα 4α, όπου το υδρόφιλο (polar) µέρος (ροζ) τοποθετεί τα µόρια µε τον τρόπο που φαίνεται ενώ τα υδρόφοβα (nonpolar) τµήµατα (µαύρα) αποµακρύνονται από το υδατικό µέσο. Στην εικόνα 4β παρουσιάζεται ένα τασιενεργό µόριο, µη ιονικό, το οποίο αποτελείται από τρία τµήµατα (κόκκινο-µπλεκόκκινο) και µορφοποιείται σε διάλυµα ανάλογα µε τη θερµοκρασία, τη συγκέντρωση και άλλες παραµέτρους. α) β) Εικόνα 4α: α) Σχηµατική αναπαράσταση µοντέλου ''Κεφαλής-Ουράς'' για τα τασιενεργά, β) µοντέλο συµπεριφοράς µη ιονικού τασιενεργου

12 Οι γενικές ιδιότητες και η συµπεριφορά αυτών των ουσιών οφείλονται στη δυική φύση του µορίου τους. Ο ανταγωνισµός των δύο αυτών τµηµάτων του µορίου και η ισορροπία µεταξύ τους προσδίδει στις ενώσεις αυτές τις επιφανειοδραστικές τους ιδιότητες. Η υδρόφιλη οµάδα ασκεί επίδραση διαλυτοποίησης και τείνει να έλκει ολόκληρο το µόριο προς το διάλυµα. Η υδρόφοβη οµάδα, από την άλλη πλευρά, λόγω της µη διαλυτότητάς της, αντιτίθεται σε αυτή την τάση. Λόγω του ανταγωνισµού ανάµεσα στις δύο οµάδες η ουσία ούτε διαλύεται απόλυτα ούτε παραµένει αδιάλυτη εντελώς αλλά συγκεντρώνεται στην επιφάνεια υγρού υγρού όπου συνήθως το µόριο της είναι προσανατολισµένο µε τις υδρόφιλες οµάδες προς την υδατική φάση και τις υδρόφοβες προς την µη υδατική 13. Η αυτο-συναρµολόγηση των τασιενεργών περιλαµβάνει την συσσωµάτωση των µορίων τους σε µικκύλια µε σχετικά σταθερή δοµή και σχήµα σε αραιά διαλύµατα µέχρι την επίτευξη µιας κρίσιµης συγκέντρωσης µικκυλίων. Εν συνεχεία γίνεται η σύντηξη των µικκυλίων σε µεγαλύτερα συσσωµατώµατα και τέλος τον σχηµατισµό φάσεων που έχουν ιδιότητες όµοιες µε αυτές των υγρών κρυστάλλων 10,14. Η συσσωµάτωση των µορίων του τασιενεργού ή των ιόντων σε µικκύλια λαµβάνει χώρα αυστηρά σε ένα ορισµένο εύρος συγκέντρωσης, χαρακτηριστικής για κάθε τασιενεργό η οποία ονοµάζεται κρίσιµη συγκέντρωση µικκυλίων (Critical Micelle Concentration CMC). Με την περαιτέρω αύξηση της συγκέντρωσης του τασιενεργού ο αριθµός των µικκυλίων αυξάνεται αλλά όχι ο αριθµός των µονοδιάσπαρτων διαλυµένων µορίων του. Καθώς ο σχηµατισµός των µικκυλίων λαµβάνει χώρα σε ογκοµετρική συγκέντρωση του τασιενεργού, όπου η επιφάνεια είναι σε µεγάλο βαθµό, αν όχι απόλυτα καλυµµένη, η επιφανειακή τάση γίνεται ανεξάρτητη οποιασδήποτε αύξησης της ογκοµετρικής συγκέντρωσης 15. Η µέτρηση της επιφανειακής τάσης ως συνάρτηση της συγκέντρωσης είναι µια απλή µέθοδος για τον καθορισµό της καλούµενης κρίσιµης συγκέντρωσης µικκυλίου (CMC) στην οποία αρχίζει ο σχηµατισµός µικκυλίων. Η γνώση της συγκέντρωσης των µικκυλίων στο διάλυµα προϋποθέτει τη γνώση της ολικής συγκέντρωσης του τασιενεργού (total surfactant concentration, C tot ) και τη συγκέντρωση του µονοµοριακού τασιενεργού. Η τελευταία συγκέντρωση είναι ίση µε το CMC, καθώς η συγκέντρωση των µονοµερών δεν µπορεί να υπερβεί αυτή την τιµή ισχύει: C mic = C tot CMC 12

13 Στη κρίσιµη συγκέντρωση µικκυλίων πολλές ιδιότητες των διαλυµάτων τασιενεργού, οι οποίες εξαρτώνται από τον αριθµό των σωµατιδίων όπως η επιφανειακή τάση, η τάση ατµών, η οσµωτική πίεση και η ισοδύναµη αγωγιµότητα για τα ιοντικά τασιενεργά, µεταβάλλονται σηµαντικά επειδή συµβαίνει µείωση του αριθµού των µορίων του µονοµερούς λόγω του σχηµατισµού µικκυλίων όπως µπορούµε να δούµε και στην παρακάτω εικόνα Εικόνα 5: Μεταβολή φυσικών ιδιοτήτων της επιφανειοδραστικής ουσίας µε την συγκέντρωση όπου παρουσιάζεται το χαρακτηριστικό σηµείο καµπής στην περιοχή του CMC. 16 Τα µικκύλια είναι δοµές δυναµικής φύσεως τα οποία βρίσκονται σε ισορροπία µε τα περιβάλλοντα µονοµερή µόρια τασιενεργού στο διάλυµα. Τα µικκύλια χαρακτηρίζονται σύµφωνα µε το µέγεθος και το σχήµα τους. Αυτές οι γεωµετρικές ιδιότητες εξαρτώνται από τη χηµική δοµή της επιφανειοδραστικής ουσίας και από τη συγκέντρωση και τη φύση του υδατικού περιβάλλοντος. 13

14 Εικόνα 6: υναµική φύση του µικκυλίου. Το σχήµα του µικκυλίου εξαρτάται πρωταρχικά από το λόγο της απαιτούµενης επιφάνειας για την υδρόφιλη οµάδα, υπό τις επικρατούσες συνθήκες, προς τον όγκο της υδρόφοβης οµάδας ΣχηµατισµόςΜεσοπορώδων Οι κυριότεροι µηχανισµοί σχηµατισµού των µεσοπορωδών υλικών είναι δύο και φαίνονται στην εικόνα 7: Ο µηχανισµός συνεργατικής αυτό-οργάνωσης (cooperative self-assembly), σύµφωνα µε τον οποίο λαµβάνουν χώρα αλληλεπιδράσεις µεταξύ των πρόδροµων µορίων και των επιφανειοδραστικών ενώσεων για το σχηµατισµό µιας ανόργανης οργανικής µεσοδοµής. Οι δεσµοί που σχηµατίζονται ανάµεσα στην ανόργανη φάση και την επιφανειοδραστική ένωση είναι ασθενείς, µη οµοιοπολικοί δεσµοί, όπως δεσµοί υδρογόνου, δυνάµεις van der Waals, ηλεκτροστατικές δυνάµεις Coulomb κ.α. 18,19,20 Ο µηχανισµός εκµαγείου υγρών κρυστάλλων (Liquid Crystal Templating, LCT), σύµφωνα µε τον οποίο οι σχηµατιζόµενοι υγροί κρύσταλλοι των επιφανειοδραστικών µορίων λειτουργούν ως εκµαγείο γύρω από το οποίο συµβαίνουν οι αντιδράσεις υδρόλυσης και συµπύκνωσης των πρόδροµων πυριτικών ενώσεων. Ο LCT µηχανισµός στηρίζεται στην ιδιότητα των 14

15 επιφανειοδραστικών ενώσεων να σχηµατίζουν µικκύλια σε διάλυµα και εξαρτάται από την συγκέντρωσή τους στο διάλυµα σύνθεσης. 18,19,20. Τα µεσοπορώδη υλικά σχηµατίζονται κάτω από υδροθερµικές συνθήκες. Η τυπική sol-gel διαδικασία περιλαµβάνεται στην υδροθερµική διαδικασία και πραγµατοποιείται σε διάφορα στάδια, όπως φαίνεται και στην εικόνα 7. Αρχικά σχηµατίζεται ένα οµογενές διάλυµα µε διάλυση της τασιενεργής ένωσης σε ένα διαλύτη, συνήθως νερό ή αιθανόλη. Στην συνέχεια προστίθενται στο διάλυµα οι πρόδροµες ενώσεις (πυριτικές, βορικές κ.α), όπου υφίστανται υδρόλυση και µετασχηµατίζονται σε µια κατάσταση sol. Η αλληλεπίδραση των ολιγοµερών και των µικκυλίων των τασιενεργών ενώσεων οδηγεί στο σχηµατισµό του πηκτώµατος (gel). Στη συνέχεια, λαµβάνει χώρα υδροθερµική επεξεργασία, η οποία επιφέρει την πλήρη συµπύκνωση και στερεοποίηση και συµβάλει στη βελτίωση της οργάνωσης. Το προκύπτον προϊόν διηθείται, πλένεται και ξηραίνεται. Το µεσοπορώδες υλικό λαµβάνεται µετά την αποµάκρυνση του οργανικού εκµαγείου µε καύση ή εκχύλιση µε κατάλληλους διαλύτες. Τα οργανωµένα µεσοπορώδη υλικά συνθέτονται κάτω από βασικές ή όξινες συνθήκες προσθέτοντας τον κατάλληλο ρυθµιστή ph. 18,19,20 Εικόνα 7: Μηχανισµοί σχηµατισµού µεσοπορωδών υλικών

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο 2. Βιοϋλικά Η ανάπτυξη της επιστήµης των Υλικών και της Τεχνολογίας έχει οδηγήσει στην χρησιµοποίηση υλικών όπως µέταλλα, πολυµερή, σύνθετα και κεραµικά υλικά ως εµφυτεύµατα στον ανθρώπινο οργανισµό. Η επιστήµη των βιοϋλικών αναγνωρίστηκε επίσηµα στα τέλη της δεκαετίας του 60 µε την πραγµατοποίηση του Ετήσιου ιεθνούς Συµποσίου Βιοϋλικών στο Πανεπιστήµιο Clemson της Νότιας Καρολίνας και οριστικοποιήθηκε το 1975 µε την ίδρυση της Εταιρίας των Βιοϋλικών (Society of Biomaterials) 21. Σήµερα, σε όλον τον κόσµο υπάρχουν εργαστήρια και ινστιτούτα βιοϋλικών µε σκοπό την έρευνα και την εκπαίδευση στο αντικείµενο. Επιπλέον, έχει αναπτυχθεί πλήθος από βιοµηχανίες που παράγουν ορθοπεδικά βιοϋλικά, οδοντικές προσθέσεις, φακούς επαφής κλπ. Βιοϋλικά χαρακτηρίζονται τα φυσικά ή τεχνητά υλικά τα οποία χρησιµοποιούνται για να κατευθύνουν, να συµπληρώνουν ή να αντικαθιστούν τµήµατα ή λειτουργίες των ιστών στο ανθρώπινο σώµα που έχουν υποστεί βλάβη 22. Τα βιοϋλικά µπορούν να χωριστούν σε διάφορες κατηγορίες, βάση της χηµικής τους φύσης και βάση των βιολογικών τους ιδιοτήτων, ανάλογα µε το τρόπο που αλληλεπιδρούν µε το σώµα. Βάση της χηµικής του φύσης χωρίζονται σε 23 : Μέταλλα και κράµατα αυτών: όπως ο ανοξείδωτος χάλυβας, τα µαγνητικά µέταλλα και τα µεταλλικά κράµατα Co-Cr, Ti Κεραµικά: όπως η πορσελάνη, η ζιρκονία, η αλουµίνα και τα κεραµικά φωσφορικού ασβεστίου. Πολυµερή: όπως το πολυλακτικό οξύ PLA (βιοδιαπώµενο), το πολυαιθυλένιο υπερυψηλού µοριακού βάρους (UHMWPE) ο πολυµεθακρυλικός µεθυλεστέρας (PMMA). Όλων των ειδών τα υλικά που αναφέρθηκαν παραπάνω έχουν χρησιµοποιηθεί από τον άνθρωπο τις τελευταίες δεκαετίες ως βιοϋλικά. Για να έχουν επιτυχηµένη εφαρµογή όµως πρέπει να τηρούν µια σειρά από προϋποθέσεις όπως να µην προκαλούν τραύµατα, φλεγµονές, ανοσολογικές αντιδράσεις, καρκινογενέσεις ή νεκρώσεις στους υγιείς ιστούς και να µη συµβάλλουν στην έκθεση των ασθενών σε επιβλαβείς ιούς και βακτήρια. Να τηρούν δηλαδή τη βασικότερη των προϋποθέσεων, τη βιοσυµβατότητα. Με τον όρο βιοσυµβατότητα ορίζεται η κυρίαρχη ικανότητα των βιοϋλικών όχι µόνο 16

17 να µπορεί να εναρµονίζεται µε το ζωτικό σύστηµα αλλά να µπορεί να προάγει και τη διαδικασία ανάρρωσης του οργανισµού όσον αφορά µια συγκεκριµένη λειτουργία του στην οποία το εκάστοτε βιοϋλικό έχει εξειδικευµένη εφαρµογή 24. Τα βιοσυµβατά υλικά µπορούν να ταξινοµηθούν σε τρεις κύριες κατηγορίες βάση των βιολογικών ιδιοτήτων τους: Βιοαδρανή: Παραδείγµατα βιοαδρανών υλικών είναι η αλούµινα, τα ανοξείδωτα µέταλλα και το πυκνό πολυαιθυλένιο τα οποία χρησιµοποιούνται ευρέως σε υποκαταστάσεις του ισχίου. Βιοαπορροφούµενα: Είναι εκείνα τα υλικά τα οποία διαλύονται κατά την επαφή τους µε τα βιολογικά υγρά και τα προϊόντα της διάλυσης αποβάλλονται από τον οργανισµό µέσω των νεφρών. Τα πιο συνήθη από αυτά είναι η πολυγλυκόλη, το πολυλακτικό οξύ και τα συµπολυµερή αυτών. Βιοενεργά: Τα υλικά αυτά έχουν επιφάνεια η οποία µετασχηµατίζεται στο περιβάλλον του σώµατος µε τέτοιο τρόπο ώστε να επιτυγχάνεται άµεση σύνδεση του υλικού µε τον ανθρώπινο ιστό. Τέτοια υλικά είναι ο συνθετικός υδροξυαπατίτης (ΗΑ) και τα διάφορα φωσφορικά κεραµικά µε ασβέστιο. Τα βιοενεργά υλικά µε τη σειρά τους διακρίνονται σε 2 κατηγορίες, στα βιοενεργά υλικά τάξης Α και Β. Τα υλικά τάξης Α, στα οποία ανήκουν οι βιοΰαλοι, έχουν την δυνατότητα πέρα από το να συνδέονται µε το οστό και να προάγουν την ανάπτυξη νέου οστού κατά µήκος της επιφάνειάς τους, να παράγουν και νέο οστό, µακριά από τη διεπιφάνεια υλικού/οστού, το οποίο συνδέεται και µε τους µαλακούς ιστούς, όπως είναι τα ούλα και ο χόνδρος. Τα υλικά τάξης Β στα οποία ανήκει και ο συνθετικός υδροξυαπατίτης συνδέονται µε το σκληρό ιστό (οστό) και προάγουν την ανάπτυξή του νέου οστού στην επιφάνειάς τους 25. Η παρασκευή των πρώτων βιοενεργών υλικών µε σύσταση πυριτίου, ασβεστίου, φωσφόρου και νατρίου πραγµατοποιήθηκε από τον L.L Hench στο Dept. of Materials, Imperial College of Science, Technology and Medicine, University of London, το Γενικά είναι τετραφασικά συστήµατα CaO-P 2 O 5 -SiO 2, Na 2 O-CaO-SiO 2, καθώς και K 2 O-SiO 2 -TiO 2. Από τότε, οι διαφοροποιήσεις που έγιναν στις συστάσεις και στους τρόπους παρασκευής τους έχει οδηγήσει σε µία µεγάλη ποικιλία βιοϋλικών, που χρησιµοποιούνται ήδη σε πληθώρα ιατρικών εφαρµογών. Στην εικόνα 8 βλέπουµε κάποιες τρισδιάστατες πορώδεις µήτρες βιοενεργών υάλων. 17

18 Εικόνα 8: Τρισδιάστατες πορώδεις δοµές βιοενεργών υάλων (scaffold) Βιοΰαλοι - Ιδιότητες Ως κεραµικά χαρακτηρίζονται τα κρυσταλλικά, µερικώς κρυσταλλικά ή άµορφα υαλώδη υλικά που προκύπτουν από τη θερµική κατεργασία ανόργανων, µη µεταλλικών ουσιών. Οι ύαλοι θεωρούνται υποκατηγορία των κεραµικών υλικών. 27 Όπως είναι πολύ εύκολο να αντιληφθεί κανείς µε τον όρο βιοκεραµικό χαρακτηρίζεται ένα οποιοδήποτε κεραµικό υλικό όταν αυτό παρουσιάζει κάποιου είδους βιοσυµβατότητα. 28 Τα βιοκεραµικά πρωτοεµφανίστηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 70, όπως αναφέραµε και παραπάνω, έπειτα από τη συστηµατική αποτυχία των προκατόχων τους βιοϋλικών που ως τότε ήταν κυρίως το ατσάλι, τα κράµατα κοβαλτίου και διάφορα πολυµερή. Η προσοχή στράφηκε στα κεραµικά υλικά σε µία απόπειρα να βρεθεί ένα νέο υλικό µε όσο το δυνατόν καλύτερα χαρακτηριστικά για την τελική ενσωµάτωση του µε τα οστά. Έτσι µε την ανακάλυψη των πρώτων βιοενεργών κεραµικών, έγινε αντιληπτό ότι οι ύαλοι κατείχαν ξεχωριστή θέση στην ευρεία κατηγορία των κεραµικών υλικών της βιοΐατρικής. Ύαλοι µε βιοενεργές ιδιότητες ονοµάζονται βιοΰαλοι 29. Από τη µελέτη διαφόρων συστάσεων στο σύστηµα του Ηench προέκυψε η πλέον γνωστή βιοενεργή ύαλος µε κατά βάρος χηµική σύσταση: 45%SiO 2, 24.5%Na 2 O, 24.5%CaO και 6%P 2 O 5, η οποία είναι γνωστή ως 45S5 ή bioglass 30. Από τότε η οµάδα του L.L. Hench κυρίως αλλά και άλλες επιστηµονικές οµάδες έχουν µελετήσει και χαρτογραφήσει ένα πολύ µεγάλο πλήθος συστηµάτων της συγκεκριµένης σύστασης χωρίς να έχει προκύψει κάποια πιο αξιόλογη σύσταση. Η επιτυχία της συγκεκριµένης σύστασης και η εµφάνιση 18

19 βιοενεργότητας σε αυτή οφείλεται σε τρία βασικά χαρακτηριστικά της. Αρχικά, το ποσοστό του SiO 2 είναι µικρότερο του 60%, δεύτερο χαρακτηριστικό είναι ότι έχει υψηλή περιεκτικότητα σε Na 2 O και CaO και τρίτο ότι υπάρχει ένας µεγάλος λόγος ασβεστίου προς φωσφόρο στο σύστηµα Μηχανισµοί Βιοενεργότητας Η βιοενεργότητα σχετίζεται άµεσα µε την ατοµική δοµή των υάλων. Γενικά οι ύαλοι δηµιουργούνται µε ενώσεις που αποκαλούνται υαλοσχηµατιστές (σχηµατιστές πλέγµατος) και υαλο-µορφοποιητές (µορφοποιητές πλέγµατος) 29. Επιπλέον, για την τελική µορφή της δοµής του γυαλιού παίζουν σηµαντικό ρόλο οι αναλογίες και τα είδη των υαλοσχηµατιστών και των υαλοτροποποιητών. Συνοπτικά, οι σχηµατιστές πλέγµατος είναι κυρίως οξείδια όπως P 2 O 5, B 2 O 5, Bi 2 O 3 και SiO 2. Ο σκοπός των υαλοσχηµατιστών είναι να σχηµατίζουν δεσµούς της µορφής π.χ. Si-O-Si,όπου το πυρίτιο σχηµατίζει τετράεδρα µε το οξυγόνο ενώ ανά δύο τα πυρίτια µοιράζονται ένα κοινό οξυγόνο που ονοµάζεται γεφυρωτικό. Οι µορφοποιητές πλέγµατος είναι κυρίως στοιχεία από τα αλκάλια ή τις αλκαλικές γαίες. Εικόνα 9: οµή γυαλιού στην οποία φαίνονται οι τροποποιητές δικτύου (π.χ. εδώ Mg ή Ca, µπλέ) οι σχηµατιστές δικτύου(κόκκινες) και τα είδη των ατόµων οξυγόνου που προέρχονται. Συνήθως χρησιµοποιούνται τα στοιχεία K, Na, Li, Ca και Mg και στόχο έχουν να σπάνε τους δεσµούς του οξυγόνου που ενώνουν τα τετράεδρα µεταξύ τους (δηλαδή τα 19

20 γεφυρωτικά) και να γίνονται τερµατικά (αγεφύρωτα οξυγόνα Ø) αυξάνοντας έτσι την αταξία της δοµής του γυαλιού. Αυτό οδηγεί στη µείωση της θερµοκρασίας τήξης του γυαλιού καθώς και στη µείωση του ιξώδες του διευκολύνοντας την παρασκευή των υάλων. Στην παραπάνω εικόνα 9 βλέπουµε τη δοµή της υάλου στην οποία φαίνονται οι τροποποιητές δικτύου, οι σχηµατιστές δικτύου και τα είδη των ατόµων οξυγόνου που προέρχονται. Η χαρακτηριστική αυτή δοµή των υλικών που περιγράφηκε παραπάνω προσφέρεται για την έντονη δραστηριότητα των υάλων µέσα σε υδατικό περιβάλλον. Αυτού του είδους η δραστηριότητα είναι και το µεγαλύτερο πλεονέκτηµα των βιοενεργών υάλων κατά την χρήση τους στην ιατρική. Τα προϊόντα της αντίδρασης της υάλου µε τα υγρά του σώµατος οδηγούν στον σχηµατισµό µιας κρυσταλλικής φάσης απατίτη όµοιου µε το ανόργανο συστατικό των οστών. Τα στάδια αυτά µαζί µε τα στάδια επιφανειακών αντιδράσεων σχηµατισµού δεσµού µεταξύ του βιολογικού ιστού και της βιοενεργής υάλου προέκυψαν από τη µελέτη του τετραφασικού συστήµατος του Hench και παρατίθενται παρακάτω 31, 32, 33 Στάδιο 1: Πραγµατοποιείται έκπλυση της επιφάνειας της υάλου και ταχεία ανταλλαγή ιόντων Na + ή K + της επιφάνειας µε Η + ή Η 3 Ο + από το διάλυµα προς σχηµατισµό σιλανολών. Το στάδιο αυτό συµβαίνει διάχυση των ιόντων από το κυρίως διάλυµα στην επιφάνεια του υλικού σύµφωνα µε την αντίδραση : Si-Ο-Νa + + Η + + ΟΗ - Si-ΟΗ- + Νa + (aq)+ ΟΗ - Το ph του διαλύµατος αυξάνεται ως αποτέλεσµα της αντικατάστασης των ιόντων Η + µε κατιόντα. Στάδιο 2: Λόγω της απώλειας των ιόντων Na + από την επιφάνεια της υάλου καταστρέφονται οι γέφυρες οξυγόνου του πυριτικού πλέγµατος (Si-O-Si) και σχηµατίζονται και πάλι σιλανόλες µε ταυτόχρονη απελευθέρωση στο διάλυµα οµάδων Si(OH) 4 όταν κάποιο άτοµο πυριτίου χάσει όλες τις γέφυρές του σύµφωνα µε την αντίδραση: Si-O-Si + H 2 O Si-OH + HO-Si 20

21 Η επιφάνεια αποκτά ζελατινώδη υφή (silica gel) και υψηλό πορώδες µε ειδική επιφάνεια της τάξης των 100m 2 και διάµετρο πόρων της τάξης των 30-50Å. Στάδιο 3: Ακολουθεί συµπύκνωση και πολυµερισµός των σιλανολικών οµάδων που έχουν δηµιουργήσει ένα στρώµα υψηλής συγκέντρωσης πυριτικών µονάδων και χαµηλής συγκέντρωσης αλκαλίων στην επιφάνεια της υάλου σύµφωνα µε την αντίδραση: Στάδιο 4: Πραγµατοποιείται προσρόφηση ιόντων Ca , PO 4 και CO 3 από το διάλυµα στο επιφανειακό στρώµα της σίλικας, στο οποίο αναπτύσσεται ένα άµορφο υµένιο CaO-P 2 O 5 µε την παρουσία και άλλων ιόντων όπως CO 2-3. Στάδιο 5: Τέλος στο στάδιο αυτό παρατηρείται κρυστάλλωση του άµορφου στρώµατος CaO-P 2 O 5 µέσο της επίδρασης των ιόντων OH - και CO 2-3 στο διάλυµα. Τελικό αποτέλεσµα ο σχηµατισµός ενός στρώµατος κρυσταλλικού υδροξυαπατίτη, το οποίο αποτελεί φυσικό δοµικό συστατικό των οστών όπως έχουµε αναφέρει και παραπάνω. Η κρυστάλλωση του ένυδρου στρώµατος CaO-P 2 O 5 φαίνεται να σχετίζεται µε την βιοενεργότητα και για το λόγο αυτό ο σχηµατισµός ενός βιολογικά ενεργού στρώµατος ανθρακικού υδροξυαπατίτη είναι προϋπόθεση για την σύνδεση της υάλου ή του υαλο-κεραµικού στους ιστούς. 21

22 Εικόνα 10: Σχηµατική παρουσίαση του µηχανισµού σχηµατισµού απατίτη σε βιοενεργές επιφάνειες 34. Τα πρώτα πέντε στάδια, που για τις πλέον βιοενεργές υάλους πραγµατοποιούνται πολύ γρήγορα (σε 1-2 ώρες), µπορούνε να παρατηρηθούνε φασµατοσκοπικά σε in-vitro µελέτες µε διαλύµατα SBF( simulated body fluid), Tris Buffer ακόµα και σε νερό. Μια σχηµατική αναπαράσταση των βηµάτων αυτών φαίνεται στην εικόνα 10 παραπάνω. Στο µηχανισµό βιοενεργότητας περιλαµβάνονται πέντε επιπλέον στάδια βιολογικών δράσεων (προσρόφηση βιολογικών τµηµάτων στον ανθρακικό ΗΑ, δράση µακροφάγων, προσάρτηση οστεοβλαστών, διαφοροποίησή τους, δηµιουργία µήτρας και κρυστάλλωσή της), τα οποία έπονται της διαδικασίας σχηµατισµού απατίτη και αφορούν την αλληλεπίδραση της βιοϋάλου µε τον βιολογικό ιστό για το σχηµατισµό δεσµού και µπορούν να µελετηθούν µόνο µε in-vivo µελέτες και κυτταροκαλλιέργειες 33. Εποµένως, η βιοενεργότητα που παρατηρείται σε κάποιες βιουάλους έγκειται στην ικανότητά να σχηµατίζουν στην επιφάνειά τους ένα βιολογικά ενεργό στρώµα φωσφορικού ασβεστίου όταν αυτές βρεθούν σε κάποιο βιολογικό ή προσοµοιωµένο υγρό κατά τα in vitro πειράµατα 35. Ο βαθµός διάλυσης της υάλου µέσα στο προσοµοιωµένο υγρό και το πάχος του στρώµατος, συνήθως υποκατεστηµένου µε 22

23 ανθρακικά ιόντα υδροξυαπατίτη που σχηµατίζεται, φαίνεται να επηρεάζονται από τους παρακάτω παράγοντες: από την σύσταση της υάλου, από το µέγεθος των σωµατιδίων για υάλους σε µορφή σκόνης (ειδική επιφάνεια) και από την υφή και τη δοµή της υάλου (πορώδες, χηµική αποικοδόµηση, διευθέτηση των µορίων κλπ.) η οποία µπορεί να καθοριστεί από τον τρόπο παρασκευής της (µέσω τήγµατος, sol gel) 34. Το επίπεδο βιοενεργότητας ενός συγκεκριµένου υλικού σχετίζεται µε το χρόνο που απαιτείται για να συνδεθεί περισσότερο από το 50% της διεπιφάνειας του εµφυτεύµατος µε το οστό (t 0.5bb ), σύµφωνα µε τη σχέση: Τα υλικά που παρουσιάζουν µια τιµή του I B µεγαλύτερη από 8, π.χ. το 45S5 Bioglass, µπορούν να συνδεθούν και µε µαλακό και µε σκληρό ιστό. Τα υλικά µε τιµή του I B µικρότερη από 8 αλλά µεγαλύτερη από 0, π.χ. ο συνθετικός υδροξυαπατίτης, συνδέεται µόνο µε σκληρό ιστό. 2.3 Μέθοδοι παρασκευής βιοενεργών υάλων Όσων αναφορά τη δηµιουργία γυαλιού αλλά και γενικότερα την παραγωγή µιγµάτων οξειδίων υπάρχουν τέσσερις βασικοί τρόποι για να παρασκευαστούν αυτά. Η πρώτη µέθοδος (ή συµβατική µέθοδος) βασίζεται στην τήξη των υλικών µέσα σε χωνευτήρια προκείµενου να παρασκευαστούν διάφορες συστάσεις. Κατάλληλες ποσότητες ανθρακικών, νιτρικών και οξειδίων αναµειγνύονται σε χωνευτήρι και διατηρούνται για διάφορα χρονικά διαστήµατα σε θερµοκρασίες πάνω από τα σηµεία τήξης ανάλογα µε τη σύσταση τους. Τα γυαλιά παράγονται έπειτα από απότοµη ψύξη των τηγµάτων σε θερµοκρασία περιβάλλοντος. Η δεύτερη µέθοδος βασίζεται στην τεχνική της υπερταχείας ψύξης τηγµάτων οξειδίων. Με την µέθοδο αυτή συνήθως παρασκευάζονται πολύ λεπτές ίνες γυαλιού. Η τρίτη µέθοδος που χρησιµοποιείται για την παρασκευή των µιγµάτων είναι θερµική κατεργασία γέλης ή µέθοδος λύµατος-πηκτής, γνωστή και ως sol-gel. Η µέθοδος αυτή 23

24 είναι µια υγρή τεχνική που βασίζεται στη υδρόλυση και συµπύκνωση αλκοξειδίων των µετάλλων. Στην παρούσα εργασία η µέθοδος που χρησιµοποιήσαµε για την παρασκευή τον δειγµάτων µας είναι η sol-gel για την οποία γίνεται εκτενέστερη ανάλυση παρακάτω Μέθοδος διαδικασίας Sol-gel Η µέθοδος sol-gel αποτελεί έναν χηµικό τρόπο χαµηλής θερµοκρασιακής σύνθεσης κεραµικών και υάλων που περιέχουν ένα ή περισσότερα χηµικά στοιχεία. Η διαδικασία που ακολουθείται είναι η διάλυση των πρόδροµων ενώσεων σε κατάλληλο διαλύτη και στη συνέχεια προσθήκη καταλύτη, συµπλοκοποιητή και νερού. Έτσι δηµιουργείται ένα κολλοειδές διάλυµα (sol) το οποίο µε τη πάροδο του χρόνου µετατρέπεται σε πήκτωµα (gel). Ο όρος κολλοειδής (sol) αναφέρεται στη διασπορά κολλοειδών σωµατιδίων σε κάποιο ρευστό µέσο. Τα κολλοειδή σωµατίδια είναι στερεά σωµατίδια µεγέθους nm και στη θερµοκρασία δωµατίου είναι διασκορπισµένα λόγω της διαρκούς θερµικής τους κίνησης µέσα σε ένα µέσο, το οποίο µπορεί να είναι είτε αέρας, είτε κάποιο οργανικό υγρό, είτε νερό µε αποτέλεσµα να σχηµατίζονται αερολύµατα, οργανικά λύµατα και υδρολύµατα αντίστοιχα. Με τον όρο γέλη-πήκτωµα (gel) ορίζεται ένα τριών διαστάσεων δίκτυο στερεής φάσης, στενά συνδεδεµένης µε µία ακίνητη συνεχή υγρή φάση, η οποία είναι εγκλωβισµένη µέσα στη στερεά 36. Το gel περιέχει πόρους, οι οποίοι έχουν διαστάσεις µικρότερες του µικροµέτρου καθώς και αλυσίδες πολυµερούς των οποίων το µέγεθος κατά µέσο όρο είναι λίγο µεγαλύτερο του µικροµέτρου. Ο όρος gel περιλαµβάνει µια µεγάλη ποικιλία υλικών διαφόρων συνδυασµών τα οποία µπορούν να ταξινοµηθούν σε τέσσερις κατηγορίες: α) καλά οργανωµένα παχύρευστα υλικά, β) οµοιόµορφα δίκτυα πολυµερών, που βρίσκονται σε πλήρη αταξία, γ) δίκτυα πολυµερών τα οποία έχουν σχηµατιστεί µε φυσική συσσώρευση και στα οποία επικρατεί αταξία και δ) συγκεκριµένες δοµές σε αταξία. Η διαδικασία sol-gel µπορεί να διαχωριστεί στα ακόλουθα στάδια 36 : 24

25 1. Μηχανική ανάδευση: Τα συστατικά αναµιγνύονται σε νερό και/ή αλκοόλη (προαιρετικά) µε σκοπό την δηµιουργία αιωρηµάτων. Κατά τη διάρκεια του πρώτου σταδίου πραγµατοποιούνται αντιδράσεις υδρόλυσης και πολυσυµπύκνωσης των αλκοξειδίων που οδηγούνε στο σχηµατισµό κολλοειδών σωµατιδίων, όγκου µικρότερου από 1 µm που διασπείρονται στο διάλυµα και δηµιουργούνε το sol, σύµφωνα µε τις παρακάτω αντιδράσεις Υδρόλυση: Μ(OR) n + nh 2 O M(OH) n + nroh Συµπύκνωση: M-OR + M-OH M-OH + M-O-M + R-OH και M-OH + M-OH M-O-M + H-OH 2. Μορφοποίηση: πραγµατοποιείται χύτευση του διαλύµατος sol σε κατάλληλο καλούπι για την µορφοποίηση του προϊόντος ανάλογα µε τη συγκεκριµένη εφαρµογή για την οποία προορίζεται. Σηµαντικό ρόλο σε αυτή τη διαδικασία κατέχει η ύπαρξη χαµηλού ιξώδους στο αρχικό διάλυµα sol που του προσδίδει τη δυνατότητα να µορφοποιηθεί. Ταυτόχρονα οι αντιδράσεις υδρόλυσης και πολυσυµπύκνωσης συνεχίζονται οδηγώντας σταδιακά µέσω διασύνδεσης των µέχρι πρότινος αποµονωµένων κολλοειδών στη δηµιουργία ενός τρισδιάσταστου πλέγµατος που ως αποτέλεσµα έχει και την προοδευτική αύξηση του ιξώδους του διαλύµατος. 3. Σχηµατισµός Gel (ζελατινοποιήση): Το sol βρισκόµενο µέσα στο καλούπι και σε θερµοκρασία περιβάλλοντος αρχίζει και παρουσιάζει αύξηση του ιξώδους του και της πυκνότητάς του λαµβάνοντας το σχήµα του καλουπιού. Κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου σχηµατίζεται ένα τρισδιάστατο δίκτυο, λόγω της σύνδεσης των κολλοειδών σωµατιδίων. 4. Γήρανση: Στη διάρκεια αυτού του σταδίου, που µπορεί να χρειαστούν ώρες ή και µέρες, πραγµατοποιείται διαχωρισµός του υγρού από το υπόλοιπο στερεό. Παράλληλα οι αντιδράσεις συµπύκνωσης που αναφέρθηκαν παραπάνω εξακολουθούν να υφίστανται καθώς τα µέρη του µακροµορίου µπορούν να κινούνται µέσα στο ρευστό ακόµα gel έστω και αν αυτό έχει πλέον πολύ υψηλό ιξώδες. Λόγω της αποβολής του υγρού παρατηρείται επανακαθίζηση 25

26 και συρρίκνωση του δικτύου του gel που προκαλεί την αύξηση του πάχους των ενδοσυνδετικών λαιµών µεταξύ των σωµατιδίων και τη µείωση του πορώδους. Αυτό οδηγεί στη δηµιουργία ενός συνεκτικότερου gel µε µεγαλύτερη µηχανική αντοχή. 5. Ξήρανση: Είναι το στάδιο στο οποίο αποµακρύνονται τα υγρά που έχουν παραµείνει στο δίκτυό του και είναι το πιο κρίσιµο στάδιο όσον αφορά το αν επιθυµείται να ληφθεί σκόνη ή συµπαγές υλικό. Χαρακτηριστικό του σταδίου αυτού είναι η ανάπτυξη µεγάλων τριχοειδών τάσεων κατά τη διάρκειά του, όταν το µέγεθος των πόρων είναι µικρό (<20nm) γεγονός που µπορεί να επιφέρει καταστροφή του gel, αν δεν ελεγχθεί η επιφανειακή τάση του υγρού, η οποία µπορεί να µειωθεί µε την προσθήκη κατάλληλων ενώσεων. 6. Σταθεροποίηση: Πραγµατοποιείται µε τη θέρµανση του υλικού σε διάφορες θερµοκρασίες και έχει ως αποτέλεσµα την αποµάκρυνση των δεσµών Μi-OH από την επιφάνεια του υλικού, κάτι που οδηγεί σε ένα χηµικά σταθερότερο υλικό. Τα βήµατα της διαδικασίας sol-gel παρατίθενται σχηµατικά και στην εικόνα 11, Εικόνα 11: Σχηµατικά τα στάδια της διαδικασίας sol-gel. 26

27 Η µέθοδος sol-gel έχει αποκτήσει τις τελευταίες δεκαετίες µεγάλο επιστηµονικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον όσον αφορά τη σύνθεση βιοενεργών υλικών και ιδιαίτερα βιοενεργών υάλων και υαλοκεραµικών λόγω πλεονεκτηµάτων της έναντι των κλασσικών µεθόδων σύνθεσης τέτοιων υλικών. Τα πλεονεκτήµατα αυτά συνοψίζονται παρακάτω 37 : Επιτρέπει το σχηµατισµό υάλων σε θερµοκρασίες αρκετά χαµηλότερες από τις συνηθισµένες που χρησιµοποιούνται στις κλασικές µεθόδους τήξης, µε αποτέλεσµα την εξοικονόµηση ενέργειας. Η ικανότητα παραγωγής µεγάλων ποσοτήτων από προϊόντα.. Σύνθεση προϊόντων µε καλύτερη οµοιογένεια. Η επίτευξη προϊόντων πολύ µεγάλης καθαρότητας (µέχρι και 99.99%) µε ταυτόχρονο υψηλό έλεγχο της χηµικής σύστασης αυτών. Τα προϊόντα της µεθόδου αυτής είναι πορώδη. Υψηλότερη βιοενεργότητα. Καλύτερος έλεγχος της βιονεργότητας αλλάζοντας την σύνθεση ή τη µικροδοµή. Μεγαλύτερη ευελιξία µιας και επιτρέπει την παρασκευή υάλων σε διάφορα επιθυµητά σχήµατα. 27

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο 3.1 Τεχνικές Χαρακτηρισµού Υπάρχουν πολλές τεχνικές που µπορούν να εφαρµοσθούν για τον χαρακτηρισµό των µεσοπορωδών υλικών και παράλληλα των βιοένεργων υάλων. Συνήθως χρησιµοποιούνται συνδυαστικά ώστε να γίνει δυνατός ο προσδιορισµός της δοµής τους. Οι τεχνικές αυτές είναι οι εξής: Περίθλαση ακτίνων-χ XRD (Χ Ray Difraction), Ηλεκτρονική Μικροσκόπια Σάρωσης SEM (Scanning Electron Microscopy), Φασµατοσκοπία Ενεργειακής ιασποράς ακτίνων-χ EDX (Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy), Ηλεκτρονική Μικροσκοπία ιαπερατότητας ή ιέλευσης ΤΕΜ (Transmission Electron Microscopy), Φασµατοσκοπία IR, Φασµατοσκοπία Εσωτερικής Ανάκλασης ATR-IR (Attenuated Total Reflection Infrared Spectroscopy), Φασµατοσκοπία Raman, Θερµοσταθµική ανάλυση TGΑ (Thermal Gravimetric Analysis), ιαφορική Θερµιδοµετρία Ανάλυσης DTA (Differential Thermal Analysis), Ποροσιµετρία µέσω απορρόφησης αζώτου η υδραργύρου καθώς και η µελέτη της βιοενεργότητας µε εµβάπτιση των δειγµάτων σε προσοµοιασµένο υγρό του ανθρώπινου σώµατος SBF (Simulated Body Fluid). 3.2 Περίθλαση ακτίνων Χ Οι ακτίνες-χ είναι ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία πολύ υψηλής ενέργειας που ανακαλύφθηκαν από τον Γερµανό Φυσικό Wilhelm Conrad Röntgen στα τέλη του 19ου αιώνα καθώς πειραµατιζόταν σε σωλήνες ηλεκτρικών εκκενώσεων, ο οποίος µάλιστα το 1901 τιµήθηκε µε το πρώτο στην ιστορία βραβείο Nobel φυσικής για αυτή του την ανακάλυψη. Οι ακτίνες Χ παράγονται σε ειδικές λυχνίες όπου η κάθοδος τους είναι από νήµα βολφραµίου και η άνοδος είναι µεταλλικός στόχος (π.χ Χαλκός). Το φάσµα εκποµπής των ακτίνων Χ αποτελείται από µια συνεχή συνιστώσα ( λευκή ακτινοβολία) που είναι ανάλογη της ακτινοβολίας του µέλανος σώµατος. Προέρχεται από την πέδηση των ηλεκτρονίων πάνω στο µεταλλικό στόχο για αυτό και λέγεται ακτινοβολία πέδησης (Bremsstrahlung). Πάνω σε αυτή τη συνιστώσα βρίσκονται γραµµές (χαρακτηριστική ακτινοβολία του µετάλλου της αντικαθόδου). Οι γραµµές προέρχονται από ηλεκτρονιακές µεταπτώσεις σε διακριτές στάθµες και σχηµατίζουν 28

29 σειρές που χαρακτηρίζονται µε τα γράµµατα K, L, M, N, O, P. Οι γραµµές κάθε σειράς συµβολίζονται µε ελληνικούς χαρακτήρες κατά κατιούσα τάξη µήκους κύµατος (Κα, Κβ κλπ.). Τέλος, οι συνιστώσες λεπτής υφής µιας γραµµής χαρακτηρίζονται από αριθµητικό δείκτη (π.χ. Κα1, Κα2 κλπ.). Η µονοχρωµατική ακτινοβολία ακτίνων-χ προσπίπτει στην επιφάνεια στερεών δειγµάτων, που είναι τοποθετηµένα σε δειγµατοφορείς σε µορφή σκόνης. Τα δείγµατα είναι σε µορφή σκόνης για να έχουµε τυχαία κατανοµή όλων των κρυσταλλογραφικών διευθύνσεων του υπό µελέτη δείγµατος, και περιθλάται από τα διάφορα σετ των κρυσταλλογραφικών επιπέδων που υπάρχουν στη δοµή του υλικού µε βάση την εξίσωση του Bragg : 2d hkl sinθ=nλ όπου n είναι ακέραιος αριθµός, λ το µήκος κύµατος των ακτίνων Χ, d hkl η απόσταση µεταξύ δύο κρυσταλλογραφικών επιπέδων και θ η γωνία µεταξύ του επιπέδου του δείγµατος και της προσπίπτουσας δέσµης. Σε όλες τις άλλες γωνίες θα πρέπει να µην λαµβάνεται ακτινοβολία. Ο νόµος του Bragg µπορεί να αναπαρασταθεί γραφικά όπως φαίνεται και στην εικόνα 12. Εικόνα 12: Γραφική αναπαράσταση του Νόµου του Bragg. Η τεχνική αυτή είναι µη καταστροφική και απαιτεί µικρή προετοιµασία του δείγµατος. Με την περίθλαση ακτίνων Χ µπορούµε να µελετήσουµε στερεά οποιασδήποτε χηµικής φύσης όπως χηµικές ενώσεις, κράµατα µετάλλων, ορυκτά και άλλα σύνθετα υλικά είτε κρυσταλλικά είτε άµορφα. Η περίθλαση ακτίνων Χ επιτρέπει τον προσδιορισµό της δοµής, της σύστασης του δείγµατος όπως και βοηθά στην ποιοτική και ποσοτική ανάλυση της περιεκτικότητας αυτού 38. Επιπλέον μας παρέχει άμεσα πληροφορίες για τη γεωμετρία των πόρων και τη διάταξη της δομής των 29

30 μεσοπορωδών υλικών. Λόγω όμως της περιορισμένης οργάνωσης των υλικών αυτών συγκριτικά με τα κρυσταλλικά υλικά η περίθλαση ακτίνων Χ μας παρέχει διαγράμματα όπου εμφανίζονται κορυφές ανάκλασης μόνο σε περιοχές μικρών γωνιών 2θ ο (από 1 ο εως 10 ο ). Σε μεγαλύτερες γωνίες δεν εμφανίζονται ανακλάσεις επειδή τα τοιχώματα των πόρων του υλικού είναι κυρίως άμορφα. Στην παρακάτω εικόνα 13 παρατίθεται ένα τυπικό διάγραµµα περίθλασης ακτίνων-χ µιας βιοϋάλου, που έχει υποστεί θερµική επεξεργασία στους C. Όπως φαίνεται στο φάσµα λόγω της ευρείας κορυφής που παρουσιάζει µεταξύ των είναι σχεδόν άµορφο. Εικόνα 13: ιάγραµµα περίθλασης ακτίνων-xrd βιοϋάλου Ηλεκτρονική Μικροσκόπια Σάρωσης - SEM Η ηλεκτρονική µικροσκοπία σάρωσης (SEM) είναι µια αρκετά διαδεδοµένη τεχνική για τη µορφολογική µελέτη των υλικών µε αρκετά υψηλή ανάλυση (~10 nm). Το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο σάρωσης χρησιµοποιεί δέσµη ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας αντί για φως για να εξετάσει αντικείµενα σε λεπτοµερή κλίµακα. Η δέσµη ηλεκτρονίων σαρώνει την επιφάνεια του δείγµατος µε το οποίο αλληλεπιδρά. Από την αλληλεπίδραση αυτή προκύπτουν πληροφορίες σε σχέση µε τα άτοµα των στοιχείων που απαρτίζουν το εξεταζόµενο δείγµα. Από τα άτοµα των στοιχείων εκπέµπονται 30

31 κυρίως δευτερογενή (secondary) και οπισθοσκεδαζόµενα (backscattered) ηλεκτρόνια καθώς και ακτίνες Χ. Εικόνα 14: Φωτογραφία ηλεκτρονικού µικροσκοπίου σάρωσης µεσοπορώδους υλικού που αποτελείται από νανοσωµατίδια διοξειδίου του πυριτίου 40 Έτσι το SEM δίνει πληροφορίες για την µορφολογία, όπως φαίνεται χαρακτηριστικά και στην εικόνα 14 όπου διακρίνεται η µεσοπορώδης δοµή νανοσωµατιδίων διοξειδίου του πυριτίου, και την σύσταση της επιφανείας του δείγµατος που εξετάζουµε. Εφαρµόζοντας ένα σύστηµα ανίχνευσης της διασποράς των ενεργειών των ακτίνων-χ που δηµιουργούνται στην επιφάνεια από την προσπίπτουσα δέσµη, µπορεί να γίνει ηµιποσοτική στοιχειακή ανάλυση του υλικού Ακόµα είναι δυνατός ο ποιοτικός προσδιορισµός των επιφανειών του υλικού όσον αφορά τις ανωµαλίες και την συνέχεια της διευθέτησης των πόρων σε όλες τις διαστάσεις. Εποµένως, το SEM χρησιµοποιείται για την εξέταση µικροδοµής στερεών δειγµάτων και για να δίνει εικόνες υψηλού βαθµού διείσδυσης 41. Παρακάτω, στην εικόνα 15, φαίνεται το SEM, Carl Zeiss EVO-MA 10, που χρησιµοποιήθηκε στη παρούσα µεταπτυχιακή εργασία για την ανάλυση των δειγµάτων µας. 31

32 Εικόνα 15: SEM στο τµήµα Επιστήµης των Υλικών Φασµατοσκοπία Ενεργειακής ιασποράς ακτίνων-χ EDX Είναι µία αναλυτική τεχνική που χρησιµοποιείται για την στοιχειακή ανάλυση ή το χηµικό χαρακτηρισµό του υπό µελέτη δείγµατος. Η δυνατότητα αυτή χαρακτηρισµού οφείλεται σε µεγάλο βαθµό στην αρχή ότι κάθε στοιχείο έχει µία µοναδική ατοµική δοµή που επιτρέπει µοναδικό σύνολο κορυφών ακτίνων Χ στα φάσµατα. Για την εκποµπή ακτίνων Χ από ένα δείγµα, µια δέσµη υψηλής ενέργειας φορτισµένων σωµατιδίων όπως ηλεκτρόνια ή πρωτόνια ή µια δέσµη ακτίνων Χ εστιάζεται στο δείγµα. Η προσπίπτουσα δέσµη µπορεί να διεγείρει ένα ηλεκτρόνιο εκτινάσσοντας το µε αποτέλεσµα τη δηµιουργία µιας οπής ηλεκτρονίου την οποία καλύπτει ένα ηλεκτρόνιο υψηλότερης ενεργειακής στάθµης. Η διαφορά αυτή των ενεργειών µπορεί να απελευθερωθεί µε τη µορφή ακτίνων Χ. Ο αριθµός και η ενέργεια των ακτίνων Χ που εκπέµπονται από ένα δείγµα µπορεί να µετρηθεί µε ένα φασµατόµετρο διασποράς ενέργειας. Καθώς η ενέργεια των ακτίνων Χ είναι χαρακτηριστική της διαφοράς στην ενέργεια µεταξύ των δύο ηλεκτρονιακών σταθµών, καθώς και της ατοµικής δοµής του στοιχείου από το οποίο εκπέµπονται, αυτό επιτρέπει τη στοιχειακή ανάλυση του δείγµατος που πρόκειται να µετρηθεί. 32

33 Η ακρίβεια της τεχνικής αυτής εξαρτάται από διάφορους παράγοντες όπως στο γεγονός ότι κάποια στοιχεία έχουν αλληλεπικαλυπτόµενες κορυφές και τη φύση του δείγµατος. Επίσης τα δείγµατα δεν πρέπει να είναι ανοµοιογενή και ακατέργαστα. 3.5 Ηλεκτρονική Μικροσκοπία ιαπερατότητας ή ιέλευσης ΤΕΜ Η ηλεκτρονική µικροσκοπία διαπερατότητας ηλεκτρονίου είναι µια τεχνική µικροσκοπίου στην οποία αντί για φως χρησιµοποιείται δέσµη ηλεκτρονίων για να δηµιουργήσει µεγεθυµένα είδωλα των αντικειµένων που εξετάζονται. Η δέσµη αυτή των επιταχυµένων ηλεκτρονίων έχει ενέργεια από keV 42. Στην εικόνα 16 παρακάτω απεικονίζονται τα βασικά µέρη ενός ηλεκτρονικού µικροσκοπίου διέλευσης. Εικόνα 16: Αριστερά, σχηµατική αναπαράσταση ενός ηλεκτρονικού µικροσκοπίου διέλευσης και δεξιά το TEM του Παν. Πατρών. 33

34 Φαίνεται ότι πάνω στο κολώνα του ΤΕΜ παράγονται ηλεκτρόνια µε διάφορες τεχνικές (electron gun) που εστιάζονται στο δείγµα (specimen port) και αναλύονται µετά στην φθορίζουσα οθόνη). Η τεχνική βασίζεται στο διαφορετικό ποσοστό σκέδασης της δέσµης των ηλεκτρονίων, καθώς αυτή διαπερνά το δείγµα, ανάλογα µε την διαφορετική ηλεκτρονιακή πυκνότητα ή το διαφορετικό πάχος που έχουν τα υλικά, δηµιουργώντας ένα είδωλο µε φωτεινές και σκοτεινές περιοχές. Όσο µεγαλύτερη είναι η ηλεκτρονιακή πυκνότητα ή όσο πιο παχύ είναι το υλικό τόσο πιο σκοτεινό είναι το είδωλο του στην οθόνη καταγραφής. Τα υπό µελέτη υλικά τοποθετούνται πάνω σε κατάλληλες επιφάνειες οι οποίες σκεδάζουν ελάχιστα τη δέσµη των ηλεκτρονίων. Η τεχνική αυτή χρησιµοποιείται για την µελέτη πολλών συστηµάτων και ιδιαίτερα στο πεδίο της νανοτεχνολογίας, µιας και η διακριτική ικανότητα της τεχνικής φτάνει σε επίπεδο ατόµου, δίνοντας τη δυνατότητα του µορφολογικού χαρακτηρισµού των υλικών που συντίθενται. 3.6 Φασµατοσκοπία IR Τα φάσµατα απορρόφησης, εκποµπής και ανάκλασης υπερύθρου των διαφόρων ουσιών µπορούν να ερµηνευθούν θεωρώντας ότι οφείλονται σε µια ποικιλία ενεργειακών µεταβολών. Οι µεταβολές αυτές είναι αποτέλεσµα των µεταπτώσεων των µορίων από µια δονητική ήµια περιστροφική ενεργειακή κατάσταση σε µια άλλη. Εικόνα 17: Φάσµα απορρόφησης υπερύθρου βιοϋάλου συναρτήσειτουτου κυµατανύσµατος υπερύθρου φωτός και δεξιά το όργανο µέτρησης και κάτω ο δειγµατοφορέας διαµαντιού

35 Στην εικόνα 17 φαίνεται το φάσµα υπερύθρου µιας βιοϋάλου στο οποίο διακρίνονται οι χαρακτηριστικές µπάντες απορρόφησης κάθε οµάδας (πυριτικές, φωσφορικές). Όπως συνηθίζεται, ο άξονας των τεταγµένων του διαγράµµατος είναι γραµµικός ως προς τη διαπερατότητα και ο άξονας των τετµηµένων είναι γραµµικός ως προς τους κυµαταριθµούς, οι οποίοι εκφράζονται σε cm -1. Στα περισσότερα σύγχρονα όργανα περιλαµβάνεται µικροϋπολογιστής εφοδιασµένος µε κατάλληλο λογισµικό, ο οποίος επεξεργάζεται το σήµα και παρουσιάζει το φάσµα σε διάφορες µορφές, όπως διαπερατότητα ως προς µήκος κύµατος ή απορρόφηση ως προς µήκος κύµατος ή κυµαταριθµούς. Στη φασµατοσκοπία υπερύθρου προτιµάται η χρήση της κλίµακας κυµαταριθµών, λόγω της γραµµικής σχέσης αυτής της µονάδας, τόσο µε την ενέργεια, όσο και µε τη συχνότητα. Η συχνότητα της απορροφηµένης ακτινοβολίας, αποτελεί µε τη σειρά της, τη µοριακή συχνότητα δόνησης, στην οποία οφείλεται η απορρόφηση. Ωστόσο, συχνότητα σπάνια χρησιµοποιείται στον άξονα τετµηµένων του γραφήµατος λόγω του δύσχρηστου µεγέθους της µονάδας. Για παράδειγµα η κλίµακα της συχνότητας στο παραπάνω σχήµα θα εκτεινόταν από 1.2x10 14 έως 2.0x10 13 Hz. Παρόλο που η κλίµακα σε µονάδες κυµαταριθµών, αναφέρεται συχνά ως κλίµακα συχνότητας, η ορολογία αυτή δεν είναι απολύτως ορθή, αφού οι κυµαταριθµοί είναι απλώς ανάλογοι µε τη συχνότητα. Τέλος, θα πρέπει να σηµειωθεί ότι η κλίµακα στον οριζόντιο του σχήµατος, αλλάζει στα 2000cm -1, µε τις µονάδες σε µεγαλύτερους κυµαταριθµούς. Η αλλαγή αυτή χρησιµοποιείται συχνά για ευκολία αφού οι περισσότερες ποσοτικές λεπτοµέρειες στο υπέρυθρο φάσµα εµφανίζονται σε κυµαταριθµούς µικρότερους 2000cm -1. Στο εµπόριο διατίθενται τρία είδη οργάνων για µετρήσεις απορρόφησης υπερύθρου: α) όργανα µε φράγµα διασποράς (dispersive elements) της ακτινοβολίας (όργανα διασποράς), τα οποία χρησιµοποιούνται κυρίως σε ποιοτικές µετρήσεις, β) πολυλεκτικά όργανα µετασχηµατισµού Fourier, τα οποία είναι κατάλληλα τόσο για ποιοτικές όσο και για ποσοτικές µετρήσεις και γ) µη διασπείροντα φωτόµετρα, τα οποία έχουν αναπτυχθεί για τον ποσοτικό προσδιορισµό πολλών οργανικών ενώσεων στην ατµόσφαιρα µε φασµατοσκοπία απορρόφησης, εκποµπής και ανάκλασης. Μέχρι τη δεκαετία του 80 τα περισσότερα όργανα για µετρήσεις υπερύθρου βασιζόταν σε φράγµατα διασποράς. Σήµερα, αυτού του είδους τα όργανα έχουν αντικατασταθεί κατά ένα µεγάλο µέρος από φασµατόµετρα µετασχηµατισµού Fourier, λόγω της ταχύτητας, της αξιοπιστίας και της ευκολίας χρήσης τους

36 3.6.1 Εσωτερικής ανάκλασης ATR-IR Είναι µια τεχνική δειγµατοληψίας που χρησιµοποιείται σε συνδυασµό µε την υπέρυθρη φασµατοσκοπία έχοντας την δυνατότητα τα υπό εξέταση δείγµατα να αναλυθούν απευθείας είτε στην στερεή είτε στην υγρή κατάσταση τους χωρίς περαιτέρω προετοιµασία. Στην µέθοδο αυτή το υπέρυθρο φως κατευθύνεται µέσω ενός στοιχείου εσωτερικής ανάκλασης (κάποιο κρύσταλλο, συνήθως διαµάντι) υψηλού δείκτη διάθλασης. Το µήκος του ATR κρυστάλλου καθορίζει την ευαισθησία της τεχνικής. Το υπέρυθρο φως ανακλάται ολικά εσωτερικά από την πίσω επιφάνεια, η οποία είναι σε επαφή µε το δείγµα, µε αποτέλεσµα η δέσµη να διεισδύει στο δείγµα σε βάθος που κυµαίνεται τυπικά από 0.5-2µm. Η ακριβή τιµή του βάθους διείσδυσης προσδιορίζεται από το µήκος κύµατος του φωτός, την γωνία πρόσπτωσης, το δείκτη διάθλασης του µέσου και από το υπό εξέταση δείγµα. Η δέσµη αυτή στη συνέχεια συλλέγεται από έναν ανιχνευτή καθώς εξέρχεται από το κρύσταλλο. Η τεχνική αυτή είναι µία απλή και αξιόπιστη τεχνική που χρησιµοποιείται ευρέως τόσο στην οργανική όσο και στην ανόργανη χηµεία, στην έρευνα και τη βιοµηχανία. Μπορεί να µας παρέχει ακριβείς πληροφορίες για την σύσταση των υλικών, δηλαδή από ποιες µοριακές αλυσίδες αποτελείται και ποια είναι η κατά βάρος σύσταση του ανά συστατικό Φασµατοσκοπία Raman Η σκέδαση Raman είναι ένα από τα φαινόµενα που προκύπτουν από την αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας µε την ύλη. Ένα χαρακτηριστικό γνώρισµα της σκέδασης Raman, το οποίο παρατηρήθηκε από το Raman το 1928, είναι η αλλαγή της συχνότητας του σκεδαζόµενου φωτός, η συχνότητα δηλαδή της σκεδαζόµενης ακτινοβολίας είναι διαφορετική από αυτή της προσπίπτουσας. Εάν η συχνότητα του προσπίπτοντος φωτός είναι ν 0 και του σκεδαζόµενου φωτός ν r τότε η µεταβολή ν = ν r - ν 0 µπορεί να είναι είτε θετική είτε αρνητική. Το µέγεθος ν είναι γνωστό ως συχνότητα Raman ενώ το σύνολο αυτών των συχνοτήτων απαρτίζουν το φάσµα Raman. Μια τυπική φασµατοσκοπία Raman αποτελείται από µια µονοχρωµατική πηγή ακτινοβολίας συνήθως Laser, ένα σύστηµα κατεύθυνσης προσανατολισµού και πόλωσης της ακτινοβολίας, µια υποδοχή τοποθέτησης του υπό µελέτη δείγµατος, ένα 36