ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΣΠΟΥΔΑΣΤΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑ Α: ΦΥΣΙΚΑ ΝΑΝΟ-ΥΛΙΚΑ

Transcript

1 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΣΠΟΥΔΑΣΤΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑ Α: ΦΥΣΙΚΑ ΝΑΝΟ-ΥΛΙΚΑ Όνομα σπουδαστή:... Ημερομηνία:... Στο πείραμα αυτό θα μελετήσετε τις σχέσεις μεταξύ νανοδομών και ιδιοτήτων των φυσικών νανο-υλικών. Σε αυτό το φύλλο εργασίας σάς παρέχουμε μερικές βασικές πληροφορίες, καθώς επίσης και οδηγίες για την προετοιμασία των πειραμάτων. Στόχοι: Να γνωρίσετε την ύπαρξη των φυσικών νανο-υλικών (για παράδειγμα, ζελατίνη και ΥΛΙΚΑ: γάλα). Να αποκτήσετε μία έμμεση απόδειξη της παρουσίας των νανοσωματιδίων στα φυσικά νανο-υλικά, μέσω της αλληλεπίδρασης του φωτός με κολλοειδή Να κατανοήσετε το σύνδεσμο μεταξύ της δομής στη νανοκλίμακα και της λειτουργίας στον αισθητό κόσμο Να κατανοήσετε το πώς η αναδιοργάνωση των μορίων ενός υλικού, όπως το γάλα, οδηγεί σε διαφορετικά προϊόντα (τυρί, γιαούρτι, κ.λπ), τα οποία έχουν ευδιάκριτες μακροσκοπικές ιδιότητες (γεύση, οσμή, κ.λπ). - 1 ηλεκτρικό μάτι - 2 γυάλινα δοχεία 50 ml - 1 γυάλινο δοχείο 200 ml - 2 γυάλινα δοχεία 500 ml g σκόνη ζελατίνης (Sigma-Aldrich αριθμός προϊόντος G1890) - 1 κουτάλι του γλυκού ml αποβουτυρωμένου γάλακτος - 4 κουτάλια του γλυκού λευκό ξύδι - Θερμόμετρο - 1 σπάτουλα - Γάντια latex 1

2 - Γυαλιά ασφαλείας - Μεγεθυντικό φακό Αυτό το πείραμα αποτελείται από δύο μέρη: ΜΕΡΟΣ Α: Εξέταση των φυσικών νανο-υλικών για να αποδειχθεί έμμεσα η νανοδομή τους ΜΕΡΟΣ Β: Εξέταση των φυσικών νανο-υλικών για να κατανοήσετε τη σχέση μεταξύ νανοδομής και μακροσκοπικών ιδιοτήτων. ΑΠΟΠΟΙΗΣΗ ΕΥΘΥΝΗΣ: Στα πειράματα που περιγράφονται στο ακόλουθο πακέτο εξάσκησης χρησιμοποιούνται χημικά, τα οποία πρέπει να χρησιμοποιηθούν σύμφωνα με τις προδιαγραφές MSDS και σύμφωνα με συγκεκριμένους σχολικούς κανόνες ασφάλειας. Η προσωπική προστασία πρέπει να χρησιμοποιηθεί όπως υποδεικνύεται. Όπως με όλα τα χημικά, πάρτε προφυλάξεις. Τα στερεά δεν πρέπει να εισπνευστούν και η επαφή με το δέρμα, τα μάτια ή τα ρούχα πρέπει να αποφευχθεί. Πλύντε σχολαστικά τα χέρια σας μετά τους χειρισμούς. Απαλλαχθείτε όπως υποδεικνύεται. Όλα τα πειράματα πρέπει να διεξαχθούν παρουσία ενός εκπαιδευμένου στη διδασκαλία φυσικής καθηγητή. Όλα τα πειράματα θα διεξαχθούν υπό την ευθύνη σας. Το Aarhus University (inano) και ολόκληρη η κοινοπραξία NANOYOU δεν αναλαμβάνει την ευθύνη για ζημιές ή επακόλουθες μόνιμες απώλειες, ως αποτέλεσμα της διεξαγωγής των πειραμάτων που περιγράφονται. ΜΝΕΙΑ ΓΙΑ ΤΟ ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΚΟ ΥΛΙΚΟ: Οι εικόνες παραχωρήθηκαν ευγενώς από: (A) Christoph Gösselsberger, η εικόνα είναι από O. Hekele, C.G. Goesselsbergerand I.C. Gebeshuber: Nanodiagnostics performed on human red blood cells with atomic force microscopy"; (B): AFM εικόνα κυττάρων βακτηρίων που συλλέχθηκαν στο inano, Aarhus University, ευγενική χορηγία της εικόνας από το Park Systems XE- Bio; (C) Ανατυπώθηκε με την άδεια τού: Shekar et al., PNAS (23 Μαϊου, 2006), vol. 103, no. 21, pp Copyright 2006 National Academy of Sciences, U.S.A. (D): AFM εικόνα διπλών σκελών DNA σε επιφάνεια μίκας, ευγενική χορηγία της εικόνας από την JPK Instruments AG. Δεν επιτρέπεται η περαιτέρω χρήση αυτών των εικόνων χωρίς τη γραπτή έγκριση των κατόχων των πνευματικών δικαιωμάτων. 2

3 Γενικές πληροφορίες Φυσικά νανουλικά Πολλά υλικά που ανήκουν στον φυσικό κόσμο (ζωϊκό και ανόργανο) έχουν ιδιότητες, οι οποίες είναι το αποτέλεσμα εγγενών νανοδομών. Η αλληλεπίδραση του φωτός, του νερού και άλλων υλικών με αυτές τις νανοδομές, δίνει στα φυσικά υλικά εντυπωσιακές ιδιότητες, τις οποίες μπορούμε να δούμε. Έχουμε εκατοντάδες παραδείγματα νανο-επιστήμης μπροστά στα μάτια μας καθημερινά, από τα geckos (μικρές σαύρες) που περπατούν ανάποδα, στην οροφή, προφανώς ενάντια στη βαρύτητα, έως τις πεταλούδες με ιριδίζοντα χρώματα και τις πυγολαμπίδες που φεγγοβολούν στη νύχτα. Εικόνα 1. Παραδείγματα φυσικών νανουλικών. Από την επάνω αριστερή γωνία και δεξιόστροφα: μία πεταλούδα, το πόδι ενός gecko, φύλλα νεροκάρδαμου, γάλα. (Μνεία για το φωτογραφικό υλικό: Επάνω αριστερά, Wiki Commons, Creative Commons Attribute ShareAlike 3, επάνω δεξιά: A. Dhinojwala, University of Akron, NISE network, ανατυπώθηκε υπό τους όρους και τις προϋποθέσεις του δικτύου NISE, κάτω αριστερά: Wiki Commons, Creative Commons Attribute ShareAlike 3). Μέρος Α: Εξέταση των φυσικών νανο-υλικών για την έμμεση απόδειξη της νανοδομής τους Σε αυτό το πείραμα θα μάθετε μία μέθοδο, η οποία σας δίνει την έμμεση απόδειξη της παρουσίας σωματιδίων τόσο μικρών, που είναι δύσκολο να τα δούμε ακόμη και με τη βοήθεια ενός οπτικού μικροσκοπίου. Τα φυσικά νανο-υλικά που θα αναλύσετε είναι η ζελατίνη και το γάλα. 3

4 Ζελατίνη Η ζελατίνη είναι μία άγευστη, στερεά ουσία, που προέρχεται από το κολλαγόνο που βρίσκεται μέσα στο δέρμα και τα οστά των ζώων. Είναι μία πολύ γνωστή ουσία που χρησιμοποιείται σε πολλές κουζίνες για την ετοιμασία επιδορπίων. Χρησιμοποιείται επίσης ως παράγοντας πήξης σε τρόφιμα (τούρτες, κλπ.), στην φαρμακευτική (π.χ. κάψουλες ζελατίνης), στα καλλυντικά και την φωτογραφία. Η ζελατίνη είναι μία πρωτεϊνη που παράγεται από το το κολλαγόνο που βρίσκεται στα οστά, στους συνδετικούς ιστούς, στα όργανα και σε κάποια έντερα θηλαστικών, όπως οι χοίροι. Ωστόσο, η ζελατίνη που προέρχεται από τα ψάρια και τα φύκια γίνεται επίσης μία συχνή πηγή. Γάλα Το αγελαδινό γάλα περιέχει ανόργανες ουσίες και μία σειρά βιομορίων, όπως τα λιπίδια και οι πρωτεϊνες, τα οποία διασκορπίζονται στο νερό. Όπως αναμφισβήτητα γνωρίζετε, το αγελαδινό γάλα παράγεται φυσικά μέσα στην αγελάδα, αλλά υφίσταται διάφορες επεξεργασίες, όπως η παστερίωση και η ομογενοποίηση, προτού φτάσει στο τραπέζι μας. Αυτές οι επεξεργασίες δεν επηρεάζουν τη νανοδομή, που θα παρατηρήσουμε σε αυτό το πείραμα. Ο εκπαιδευτικός θα ετοιμάσει 10 ml δείγμα ζελατίνης (αναμειγνύοντας κάθε 0.5 mg σκόνης ζελατίνης με 50mL κρύο νερό), και θα το βάλει να ζεσταθεί μέχρι να φτάσει σ ένα σημείο πριν το βρασμό. Θα χρειαστείτε τα εξής υλικά: Ένα ψυχρό δείγμα ζελατίνης, Ένα γυάλινο δοχείο με νερό Ένα γυάλινο δοχείο με γάλα Ένα γυάλινο δοχείο με αραιωμένο γάλα: Πάρτε 150 ml αποσταγμένου νερού σε ένα δοχείο ή ένα ποτήρι, και προσθέστε 1-2 σταγονίδια γάλακτος (χρησιμοποιώντας μία πιπέτα). Ανακατέψτε καλά και αφήστε το για μερικά λεπτά (δεν πρέπει να υπάρχουν φυσαλίδες αέρα). Το υγρό θα είναι απαλό γκρι. 4

5 Ε1. Μπορείτε να δείτε κάποια μικρά σωματίδια εξετάζοντας τα διαφορετικά δείγματα; Μπορείτε να δείτε κάποια μικρά σωματίδια εξετάζοντας τα διαφορετικά δείγματα με έναν μεγεθυντικό φακό; Τώρα φωτίστε με μία ακτίνα λέϊζερ τα τέσσερα δείγματα, ενώ ταυτόχρονα κρατάτε ένα λευκό χαρτί στην άλλη πλευρά. ΠΡΟΕΙΔΟΠΟΙΗΣΗ: ποτέ μην κατευθύνετε τις ακτίνες λέϊζερ κοντά στα μάτια ούτε να κοιτάξετε απευθείας μέσα στις ακτίνες!! Πρέπει να φοράτε γυαλιά ασφαλείας κατά τη διάρκεια της δοκιμασίας. Ε2. Κοιτάξτε από επάνω και περιγράψτε αυτό που βλέπετε. Καταγράψτε το πώς συμπεριφέρεται η ακτίνα λέϊζερ καθώς διαπερνά το κάθε δείγμα. Ζελατίνη: Νερό: Γάλα: Αραιωμένο γάλα: 5

6 Ε3. Συμπεριφέρθηκαν όλα τα δείγματα με τον ίδιο τρόπο; Μπορείτε να μαντέψετε τι διατάραξε το μονοπάτι της ακτίνας λέϊζερ; (Σημειώστε ότι αν μπορείτε να δείτε το μονοπάτι της ακτίνας λέϊζερ, σημαίνει ότι κάτι διατάραξε το μονοπάτι της, αλλιώς το φως της δεν θα έφτανε στα μάτια σας) Ε4. Συνεπώς τι συνέβη εδώ; Συμπληρώστε τις λέξεις που λείπουν Τα σωματίδια νανοκλίμακας αιωρούνται στο δείγμα, και όταν το φως του λέϊζερ τα χτυπά, αλλάζει η κατεύθυνσή του. Αυτό φαίνεται σαν ένα μονοπάτι φωτός στο δείγμα, όπως μπορεί να παρατηρηθεί στο δείγμα και στο δείγμα. Το λέϊζερ σχηματίζει ένα σημείο διασκορπισμένου φωτός στο δείγμα, αν τα σωματίδια είναι τόσο πυκνά, ώστε το φως δεν μπορεί να τα διαπεράσει, όπως φαίνεται στο δείγμα. Στο το φως διαπερνά χωρίς να συναντήσει τίποτα, και συνεπώς δεν μπορούμε να δούμε το φως του λέϊζερ. Ένα μίγμα που περιέχει νανοσωματίδια Ένα κολλοειδές είναι ένας τύπος μίγματος, στο οποίο μία ουσία είναι διασκορπισμένη ομοιόμορφα δια μέσου μίας άλλης, αλλά τα σωματίδια της διασκορπισμένης ουσίας μόνο αιωρούνται στο μίγμα, δε διαλύονται εντελώς σε αυτό (αντίθετα με ένα διάλυμα). Γενικότερα, ένα κολλοειδές αποτελείται από σωματίδια στην κλίμακα των nm. Αυτά τα σωματίδια δεν μπορούμε να τα δούμε με γυμνό μάτι, και τα περισσότερα δεν τα βλέπουμε ακόμη κι αν χρησιμοποιήσουμε ένα οπτικό μικροσκόπιο. Είναι αρκετά μικρά για να διασκορπίζονται ομοιόμορφα και να διατηρούν μία ομοιογενή εμφάνιση, αλλά και αρκετά μεγάλα για να διασκορπίζουν φως. Τα σωματίδια σε ένα κολλοειδές μπορεί να είναι τόσο καλά διασκορπισμένα, ώστε να έχουν την εμφάνιση ενός διαλύματος (π.χ. διαφανές.) Συνεπώς, η δοκιμασία με το λέϊζερ δίνει έμμεση απόδειξη της 6

7 παρουσίας νανοσωματιδίων στο κολλοειδές. Αυτό συμβαίνει στη ζελατίνη και το γάλα. ΠΩΣ Η ΖΕΛΑΤΙΝΗ ΕΙΝΑΙ ΚΟΛΛΟΕΙΔΕΣ; Πρόσφατες μελέτες, όπου χρησιμοποιήθηκε ένας τύπος μικροσκοπίου που ονομάζεται Atomic Force Microscope (AFM), το οποίο μπορεί να ανιχνεύσει δομές στη νανοκλίμακα, έδειξαν ότι η ζελατίνη είναι όντως διαμορφωμένη από πολυάριθμες νανοδομές, οι οποίες είναι διασκορπισμένες ομοιόμορφα. Για παράδειγμα, μία ανάλυση AFM ζελατίνης, που εξάγεται από το δέρμα του γατόψαρου (Ictalurus punctatus) αποκάλυψε την παρουσία πόρων με διάμετρο περίπου 100nm και σφαιρικές νανοσυσσωματώσεις με διάμετρο περίπου 260 nm. Η παρουσία αυτών των νανοδομών αποδεικνύει ότι η ζελατίνη είναι ένα κολλοειδές (τα νανοσωματίδια που αιωρούνται εδώ, είναι και οι πόροι, οι οποίοι είναι κυρίως νανο-φυσαλίδες αέρα, αλλά και οι συσσωματώσεις). ΠΩΣ ΤΟ ΓΑΛΑ ΕΙΝΑΙ ΚΟΛΛΟΕΙΔΕΣ; Η ποσότητα των πρωτεϊνών στο αγελαδινό γάλα είναι μεταξύ 2,5 και 3,5%, ανάλογα με τη ράτσα του ζώου, εκ των οποίων περίπου 80% είναι καζεϊνες (το υπόλοιπο είναι ορός γάλακτος ή πρωτεϊνες ορού). Οι καζεϊνες βρίσκονται φυσικά στο γάλα με τη μορφή σφαιρών περιπλεγμένων πρωτεϊνών, οι οποίες είναι στην κλίμακα των nm και ονομάζονται μικκύλια καζεϊνης. Τα μικκύλια περιέχουν τις καζεϊνες συνδυασμένες με ασβέστιο, φωσφορικό άλας και μία μικρή ποσότητα κιτρικού άλατος. Ως εκ τούτου, το γάλα είναι ένα κολλοειδές, με αυτά τα μικκύλια ως αιωρούμενα νανοσωματίδια. Η παρουσία αυτών των μικκυλίων καθορίζει το λευκό χρώμα του γάλακτος, λόγω του ότι διαχέουν το φώς. E5. Το γάλα οφείλει τις ιδιότητές του στην ύπαρξη των μικκυλίων καζεϊνης, τα οποία είναι σφαιρικές νανοδομές με μία διάμετρο περίπου nm. Επιλέξτε από τις εικόνες που παρέχονται στο τέλος του φύλλου εργασίας, την εικόνα AFM που πιστεύεται ότι αντιστοιχεί στα μικκύλια καζεϊνης (λάβετε υπόψη ότι 1000 nm = 1 μm). Επικολλήστε την εικόνα εδώ. 7

8 Μέρος Β: Εξέταση φυσικών νανο-υλικών για να κατανοήσετε τη σχέση μεταξύ νανοδομών και ιδιοτήτων. Σε αυτό το πείραμα θα επεξεργαστείτε το γάλα με οξύ για να διαταράξετε τη νανοδομή του, προκειμένου να δημιουργήσετε ένα νέο προϊόν (διαφορετική δομή με διαφορετικές ιδιότητες). Οι δείκτες ph του οξέος χρησιμοποιούνται για να προσδιοριστεί το επίπεδο ph των κοινών υλικών όπως το ξύδι, ο χυμός λεμονιού, το οξύ των μπαταριών, ακόμη και οι μολύνσεις μαγιάς o o o Ένα ph 7 υποδεικνύει ουδέτερο διάλυμα Ένα ph πάνω από 7 υποδεικνύει αλκαλικό διάλυμα Ένα ph κάτω από 7 υποδεικνύει όξινο διάλυμα Πρέπει να φοράτε γυαλιά ασφαλείας και γάντια, καθόλη τη διάρκεια του πειράματος. 8

9 ΒΗΜΑ 1 - Χρησιμοποιήστε το ίδιο δοχείο που περιέχει γάλα, με εκείνο που χρησιμοποιήσατε στο 1 ο μέρος. Με τη χρήση ενός χαρτιού ph (το οποίο εξετάζει το επίπεδο οξύτητας), καταγράψτε την οξύτητα (ph) του αποβουτυρωμένου γάλακτος (συμπληρώστε τον πίνακα που παρέχεται στην επόμενη σελίδα). ΒΗΜΑ 2 - Πάρτε ένα καθαρό δοχείο και προσθέστε ένα άλλο δείγμα 400 ml κρύου γάλακτος. Τοποθετήστε το δοχείο με το γάλα σε ένα ηλεκτρικό μάτι, ανάψτε το και ζεστάνετε το γάλα στους 60 ο C περίπου. Αν δεν διαθέτετε ηλεκτρικό μάτι, μπορείτε να ζεστάνετε το γάλα χρησιμοποιώντας νερό που έχει βράσει ξεχωριστά σε ένα άλλο δοχείο. Όταν το γάλα ζεσταθεί, εξετάστε την οξύτητα με ένα άλλο χαρτί ph, και καταγράψτε το αποτέλεσμα στον παρακάτω πίνακα. Παρατηρήστε το γάλα και ανακατέψτε το με ένα κουτάλι, καταγράψτε την εμφάνιση, την οσμή και την αφή του στον παρακάτω πίνακα. ΒΗΜΑ 3 - Προσθέστε το κρύο γάλα 2 κουτάλια του γλυκού λευκό ξύδι (ένα όξινο διάλυμα) και ταυτόχρονα ανακατεύετε καλά. Τι συμβαίνει (εμφάνιση, οσμή, αφή); Καταγράψτε τις παρατηρήσεις σας στον πίνακα που παρέχεται. Καταγράψτε το ph του υγρού (στον πίνακα της επόμενης σελίδας). Σημείωση για την ασφάλειά σας: Δεν πρέπει να δοκιμάσετε το συσσωματωμένο όξινο-γάλα! ΒΗΜΑ 4 - Επαναλάβετε τη δοκιμασία, προσθέτοντας την ίδια ποσότητα ξυδιού (2 κουτάλια του γλυκού), αλλά στο ζεστό γάλα (60 ο C). Ανακατέψτε, και αφήστε το για ένα ή δύο λεπτά. Μην ξεχνάτε ότι το δοχείο θα καίει! Τι συμβαίνει; (Θυμηθείτε, μην το δοκιμάσετε!). Καταγράψτε τις παρατηρήσεις σας στον πίνακα που παρέχεται. Καταγράψτε ph του υγρού (στον παρακάτω πίνακα): 9

10 Βήμα: Δείγμα Θερμοκρασία ph Κατάσταση του γάλακτος (εμφάνιση, χρώμα, οσμή, ιξώδες) ΔΟΚΙΜΑΣΙΑ 1 Γάλα κρύο Παχύρρευστο λευκό υγρό, με μακροσκοπικές συσσωματώσεις ΔΟΚΙΜΑΣΙΑ 2 Γάλα 60 0 C ΔΟΚΙΜΑΣΙΑ 3 Γάλα + 2 κουταλάκια του γλυκού ξύδι κρύο ΔΟΚΙΜΑΣΙΑ 4 Γάλα + 2 κουταλάκια του γλυκού ξύδι 60 0 C Ε6. Υπήρχε σαφής διαφορά στην κατάσταση του γάλακτος και του ph, που παρουσιάστηκε ακριβώς με το ζέσταμα του γάλακτος, χωρίς να προσθέσετε ξύδι (Δοκιμασία 1 και 2); Αν ναι, περιγράψτε τη διαφορά. 10

11 Ε7. Υπήρχε σαφής διαφορά στην κατάσταση του γάλακτος και του ph, αφού προσθέσατε ξύδι σε ζεστό ή κρύο γάλα (Δοκιμασία 3 και 4); Αν ναι, περιγράψτε τη διαφορά. Ε8. Βάσει των αποτελεσμάτων της δοκιμασίας με την πρόσθεση ξυδιού σε ζεστό ή κρύο γάλα, πιστεύετε ότι η αντίδραση που γίνεται βασίζεται στην οξύτητα (ph); Εξηγήστε. ΕΙΝΑΙ ΑΠΛΑ Η ΟΞΥΤΗΤΑ, Ή ΚΑΤΙ ΑΛΛΟ; Καταρχήν, ας κατανοήσουμε τι συμβαίνει στα μικκύλια καζεϊνης σε μοριακό επίπεδο: Τα μικκύλια αποτελούνται από ένα σύμπλεγμα μορίων καζεϊνης, αλλά οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι υπάρχουν περισσότερα από ένα είδη μορίων καζεϊνης (δείτε την εικόνα 2). Όλοι οι τύποι των μορίων καζεϊνης είναι μεγάλου μήκους και λεπτοί, και όλοι διαθέτουν μία υδρόφοβη περιοχή (π.χ. απωθούνται από το νερό), και μία περιοχή η οποία έχει μία αποδοτική ηλεκτροστατική φόρτιση. Οι διάφοροι τύποι καζεϊνης διαφέρουν σε ισχύ στην τοποθέτηση αυτών των περιοχών. Ώς αποτέλεσμα αυτών των περιοχών, όλες οι καζεϊνες, εκτός από μία, η οποία ονομάζεται k-καζεϊνη, διαθέτουν να δυνατότητα να συνδεθούν με ένα ιόν ασβεστίου, Ca 2+. Τώρα, ας κατανοήσουμε πώς αυτά τα μόρια συνδέονται μεταξύ τους: Μπορούν να υπάρξουν δύο τύποι συνδέσμων μεταξύ καζεϊνών και μικκυλίων καζεϊνης: 11

12 - Ο πρώτος σύνδεσμος είναι υδρόφοβος, όπου δύο ή περισσότερες υδρόφοβες περιοχές διαφορετικών μορίων (α-καζεϊνες και β-καζεϊνες), διαμορφώνουν ένα σύμπλεγμα (παρόμοιο με τις σταγόνες που σχηματίζει το λάδι μέσα στο νερό). Αυτά σημειώνονται ως μία ορθογώνια μπάρα στην Εικόνα 2. Αυτοί οι σύνδεσμοι είναι ευαίσθητοι στη θερμοκρασία. - Ο δεύτερος σύνδεσμος αποτελείται από υδρόφιλα ( αγαπούν το νερό ) φορτισμένες περιοχές, που είναι ενωμένες με μικρά νανοκρύσταλλα, αποκαλούμενα νανοσυμπλέγματα φωσφορικού άλατος ασβεστίου ή νανοσυμπλέγματα κολλοειδούς φωσφορικού άλατος ασβεστίου (σημειώνεται ως CCP στην εικόνα 2). Αυτοί οι σύνδεσμοι είναι ευαίσθητοι στην οξύτητα (ph). Εικόνα 2. Μοντέλο διπλής ένωσης σε μικκύλια καζεϊνης, με a, b και k- καζεϊνη, που απεικονίζονται όπως αναγράφεται. Ανατυπώθηκε από: Horne D.S., Inter. Dairy Journal (1998), 8 (3), , με την άδεια του Elsevier. Τώρα μπορούμε να κατανοήσουμε πώς είναι δομημένα τα μικκύλια : Οι k-καζεϊνες δεν μπορούν να ενωθούν με νανοσυμπλέγματα ασβεστίου. Συνεπώς αλληλεπιδρούν με άλλα μόρια μόνο μέσω υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων, και γι αυτό τα μικκύλια δεν μπορούν να αναπτυχθούν περαιτέρω, πέρα από τις k-καζεϊνες, οι οποίες συνεπώς δρουν ως ένα εξωτερικό στρώμα στο μικκύλιο. Ο ρόλος των k- καζεϊνών είναι να σταθεροποιήσουν τα μικκύλια καζεϊνης, παρεμποδίζοντας την υπερβολική ανάπτυξη και τη συσσωμάτωση των μικκυλίων (όπου τα μικκύλια κολλούν μεταξύ τους), η οποία αλλιώς θα οδηγήσει σε καθίζηση (τα μικκύλια βυθίζονται στο κάτω μέρος). Άρα, μπορούμε να δούμε ότι όλες αυτές οι διάφορες ιδιότητες απώθησης, επικόλλησης και ένωσης, αναγκάζουν τα μόρια να κολλήσουν μαζί, μέσω μίας 12

13 διαδικασίας αυτό-συναρμολόγησης, για να σχηματίσουν μικκύλια καζεϊνης που περιέχουν ανόργανο φωσφορικό άλας ασβεστίου. Αυτό εξασφαλίζει ότι το ασβέστιο θα διασκορπιστεί ομοιόμορφα μέσα στο γάλα (όπως διασκορπίζονται τα μικκύλια στο γάλα), και ότι το μοσχάρι θα λάβει και τις πρωτεϊνες και τα μέταλλα με κάθε γουλιά. Για να συνοψίσουμε, είδαμε ότι η δομή του γάλακτος, στο επίπεδο των μικκυλίων, εξαρτάται και από τη θερμοκρασία αλλά και από την οξύτητα (ph) του γάλακτος. ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΓΑΛΑΚΤΟΣ Η διατήρηση της ακεραιτότητας των μικκυλίων είναι μία εξισορροποιητική ενέργεια και υπάρχουν πολυάριθμες μέθοδοι για την διατάραξη αυτής της ισορροπίας. Αυτές οι μέθοδοι χρησιμοποιούνται ευρέως στη γαλακτοκομική βιομηχανία, για την παρασκευή τυριού και προϊόντων που έχουν υποστεί ζύμωση όπως το γιαούρτι, κ.λπ). Το γιαούρτι είναι ένα γαλακτοκομικό προϊόν που έχει υποστεί ζύμωση, το οποίο επιτυγχάνεται άπό την ελεγχόμενη αύξηση συγκεκριμένων μικρο-οργανισμών, κυρίως βακτήρια που μετατρέπουν τη λακτόζη (ζάχαρη του γάλακτος) σε γαλακτικό οξύ. Μειώνοντας το ph του γάλακτος, αλλάζει η συνεκτικότητα και η γεύση του. Στην παρασκευή τυριού, χρησιμοποιούνται ένζυμα για να προκληθεί η συσσωμάτωση και η καθίζηση των καζεϊνών. Σε όλες τις μεθόδους επεξεργασίας γάλακτος, η μοριακή οργάνωση των καζεϊνών μεταβάλλεται, κάτι που οδηγεί στην πύκνωση, την ιζηματοποίηση και άλλες επιδράσεις. Η εμφάνιση, η γεύση και άλλες μάκρο ιδιότητες του γάλακτος είναι βαθιά συνδεδεμένες με την υπερ-μοριακή (νάνο) δομή του. Οι βασικές επεξεργασίες που υφίσταται το γάλα είναι: - Η μείωση του ph σε 4.6 προσθέτοντας ένα οξύ, επιφέρει το διαχωρισμό των μικκυλίων καζεϊνης. Ο λόγος που συμβαίνει αυτό είναι ότι τα μικκύλια ασβεστίου υπάρχουν μόνο λόγω της παρουσίας του φωσφορικού άλατος ασβεστίου. Συνεπώς ο διαχωρισμός του προκαλεί απαραιτήτως αλλαγές στη σταθερότητα των μικκυλίων. Αν ένα οξύ (ένας δότης πρωτονίων) προστεθεί στο γάλα, οι φορτισμένες περιοχές δεν μπορούν πια να αλληλεπιδράσουν ηλεκτροστατικά με τα νανο συμπλέγματα φωσφορικού άλατος ασβεστίου, και αυτά απελευθερώνονται από τα μικκύλια. Πρέπει 13

14 να σημειωθεί ότι αυτό δεν προκαλεί απαραίτητα το διαχωρισμό των καζεϊνών από τα μικκύλια. Σε θερμοκρασίες κάτω των 25 ο C, προκύπτει αυξημένος διαχωρισμός, αλλά σε άλλη περίπτωση οι καζεϊνες παραμένουν στα μικκύλια. Ο λόγος βρίσκεται στο γεγονός ότι η σταθερότητα των μικκυλίων καζεϊνης δεν συνδέεται αποκλειστικά με την ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση, αλλά επίσης με υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις. Οι τελευταίες είναι εξαρτώνται εξαιρετικά από τη θερμοκρασία: οι υδρόφοβες αντιδράσεις είναι ισχυρότερες σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Συνεπώς, οι υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις διατηρούν τη σταθερότητα των μικκυλίων καζεϊνης σε κρύο γάλα, ακόμη και το ph του έχει μειωθεί. Αφετέρου, αν προκύψει οξίνιση αφού το γάλα ζεσταθεί (σε περίπου 60 ο C), τα μικκύλια διασπώνται (το φωσφορικό άλας ασβεστίου απελευθερώνεται από το μικκύλιο) και θα συσσωματωθούν λόγω αυξημένων ηλεκτροστατικών δυνάμεων και αυξημένης υδρόφοβης αλληλεπίδρασης (ακριβώς όπως συμβαίνει με την ανάμιξη λαδιού και νερού, που ενδεχομένως διαχωρίζονται). - Η επίθεση χυμοσίνης οδηγεί στην καθίζηση του μικκυλίου και στο σχηματισμό μίας στάρπης (τυρόπηγμα). Αυτή η διαδικασία χρησιμοποιείται στην παρασκευή τυριού. Η χυμοσίνη είναι ένα ένζυμο, το οποίο είναι η ενεργός αρχή στην πυτιά, που εξάγεται από το στομάχι του μοσχαριιού και χρησιμοποιείται στην παρασκευή τυριού. Η χυμοσίνη επιτίθεται συγκεκριμένα σε μία μονή σύνδεση στην k- καζεϊνη. Όπως αναφέρεται παραπάνω, η παρουσία των k-καζεϊνών είναι θεμελιώδης για τη γενικότερη σταθερότητα του μικκυλίου καζεϊνης συνεπώς η διατάραξή της προκαλεί την απώλεια σταθερότητας στο μικκύλιο, τη συσσωμάτωση και πιθανώς το σχηματισμό στάρπης. - Η ελεγχόμενη πρόσθεση βακτηρίου γαλακτικού οξέος (βακτήριο που παράγει γαλακτικό οξύ όπως Lactobacillus, Lactococcus, και Leuconostoc) υπό συγκεκριμένες προϋποθέσεις επεξεργασίας, οδηγεί στα γαλακτοκομικά προϊόντα που υφίστανται ζύμωση, όπως το γιαούρτι. Αυτή η διαδικασία διαφέρει από την απλή οξίνιση καθώς το γάλα θερμαίνεται και οι πρωτεϊνες ορού επίσης ενσωματώνονται. Η πήξη προκαλείται από την οξίνιση, όμως δεν οδηγεί στο σχηματισμό στάρπης αλλά σε ένα προϊόν που είναι πιο παχύρευστο από το πλήρες γάλα. 14

15 Ε9. Ποια από τις διαδικασίες, που εξηγήθηκαν παραπάνω, εκτελέσατε σε αυτό το πείραμα με το γάλα; Ε10. Χρησιμοποιήστε τις πληροφορίες, που μόλις διαβάσατε, για να εξηγήσετε τη διαφορά μεταξύ του αποτελέσματος του πειράματος με το κρύο γάλα και του πειράματος με το ζεστό γάλα. Ε11. Τα πρωτεϊνικά μόρια άλλαξαν σε νέα σε αυτό το πείραμα; Αν όχι, τι άλλαξε; Ε12. Χρησιμοποιώντας τις πληροφορίες που μόλις διαβάσατε, μπορείτε να περιγράψετε, με δικά σας λόγια, τι συμβαίνει στα μικκύλια, κατά την επεξεργασία που γίνεται στο αγαπημένο σας γαλακτοκομικό προϊόν; 15

16 ΤΙ ΜΠΟΡΕΙ ΝΑ ΔΙΔΑΞΕΙ ΑΥΤΟ ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ ΓΙΑ ΤΗ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ; - Νανοδομή σημαίνει φυσικές ιδιότητες (χρώμα, οσμή, ιξώδες, κ.λπ.): τα υλικά στον πραγματικό φυσικό κόσμο, όπως το γάλα, εμφανίζονται έτσι λόγω των άρτιων νανοδομών που κατέχουν. Το γάλα είναι λευκό επειδή περιέχει κολλοειδή νανοσωματίδια (μικκύλια). Αν τροποποιήσουμε τη δομή αυτών των μικκυλίων, τροποποιούμε κάποιες μάκρο ιδιότητες του γάλακτος όπως το χρώμα, η οσμή και το ιξώδες - Νανοδομή σημαίνει λειτουργία: τα φυσικά υλικά έχουν πολύ συγκεκριμένες λειτουργίες, οι οποίες υπαγορεύονται από την άρτια υπερ-οργάνωση των μορίων τους (νανοδομές). Αν τις τροποποιήσουμε, μπορούμε να αποκτήσουμε ένα υλικό με νέα λειτουργία. Στην παραγωγή τυριού, η τροποποίηση των μικκυλίων καζεϊνης μέσω συγκεκριμένων επεξεργασιών (π.χ. επεξεργασία με χυμοσίνη ή ζύμωση με βακτήρια γαλακτικού οξέος) οδηγεί σε διάφορα προϊόντα (τυρί, γιαούρτι, κ.λπ). Αυτή ακριβώς είναι μία από τις βασικές έννοιες της νανοτεχνολογίας: η σχεδίαση νέων υλικών με νέες λειτουργίες, που προκύπτουν από χειρισμούς στην μοριακή τους οργάνωση. Σημειώστε ότι σε όλες τις επεξεργασίες που εκτελέσαμε σε αυτό το πείραμα, δεν αλλάξαμε τα μόρια. Αλλάξαμε μόνο τους συνδέσμους μεταξύ των μορίων, και την υπερ-μοριακή δομή στη νανοκλίμακα. 16

17 Εικόνες για την Ε5: Κόψτε την εικόνα που θεωρείτε σωστή και επικολλήστε την στον αντίστοιχο χώρο της Ε5. A D Οι εικόνες σε αυτή τη σελίδα προστατεύονται για τα πνευματικά δικαιώματα. Δείτε στη σελίδα 2 για τις μνείες και τους όρους χρήσης. Δεν επιτρέπεται περαιτέρω χρήση αυτών των εικόνων χωρίς την γραπτή έγκριση των κατόχων των πνευματικών δικαιωμάτων. 17