Optymalizacja kształtu i rozmieszczenia nanostruktur złota

Konwersja energii dotyczy zmiany jednej postaci energii w drugą i właśnie w głównej mierze temu poświęcone są badania w „Laboratorium konwersji energii elektromagnetycznej w ciepło” Instytutu Energii Politechniki Gdańskiej. Konwersja energii, ze względu na całą paletę zastosowań w najróżniejszych obszarach naszego życia, towarzyszy nam na co dzień i nie zastanawiamy się nad znaczeniem poszczególnych jej form. W projekcie nanoHEATgold: „Optymalizacja kształtu i rozmieszczenia nanostruktur złota w komorze bakteriobójczej wykorzystującej proces fototermoablacji” wykorzystujemy energię zgromadzoną w promieniowaniu optycznym (fali elektromagnetycznej), aby ją przekształcić w użyteczne ciepło. Do tego celu wykorzystujemy specjalnie dostosowane nanocząstki, które wprowadzamy do dedykowanej komory. Nanotechnologia, w tym zastosowanie nanocząstek, otwiera nowe możliwości do rozwoju badań naukowych. Szczególnie korzystnie wypadają nanostruktury złota, które charakteryzują się stabilnością, biokompatybilnością oraz sprawnością w procesie fototermoablacji. Również niezwykle istotne w prowadzonych pracach jest zastosowanie laserów, które umożliwiają wytworzenie promieniowania optycznego o konkretnej długości, mocy i innych parametrach do naświetlania nanocząstek.

dr inż. Paweł Ziółkowski, fot. Łukasz Bera
Celem projektu nanoHEATgold jest przebadanie procesu wymiany ciepła oraz masy w komorach o różnych rozmiarach, zawierających docelowo bakterie lub wirusy, które miałyby zostać poddane procesowi fototermoablacji przy użyciu gęsto rozmieszczonych nanocząstek złota o kształcie nanoprętów. Głównym zadaniem jest optymalizacja kształtu nanocząstek oraz samej komory, aby zmaksymalizować temperatury i tym samym dezaktywować jak największą ilość bakterii czy wirusów. Taka dezaktywacja następuje po uzyskaniu pewnej granicznej temperatury w obszarze komory i dlatego tak ważne jest łączenie dwóch metod, a mianowicie: eksperymentalnej i numerycznej, aby potwierdzić zakres nagrzewania materiału. Zaletą tej metody jest jej niewątpliwa prostota, gdyż polega na stworzeniu układu pomiarowego i obliczeniowego oraz przeanalizowaniu pola temperatury w badanym obszarze. Istotnym celem naukowym jest wypracowanie właściwych modeli matematycznych, poprawnie odwzorowujących zachowanie fal elektromagnetycznych z nanostrukturami złota, tak aby odwzorować przekazanie ciepła do otoczenia i dalszej kolejności do całej komory bakteriobójczej.

Naświetlanie wiązką lasera i jego interakcja z nanocząstkami złota daje także potencjalne rozwinięcie do zastosowań biologicznych, czy nawet medycznych w terapii w nietypowych miejscach (np. guzy punktowe w krwi lub narządy wewnętrzne, takie jak trzustka czy wątroba). Konsultacje i współpraca w obszarze medycznym była prowadzona w ramach konsorcjum z Gdańskim Uniwersytetem Medycznym. Projekt pozwolił na zaprojektowanie eksperymentów opartych na pomiarze rozkładu temperatury na wybranej powierzchni przy pomocy skalibrowanej do odpowiednich temperatur kamery termowizyjnej. Przebadano kilka układów poprzez naniesienie na szkło laboratoryjne lub bezpośrednio do komory bakteriobójczej stabilizowanych nanoprętów złota. Doświadczenie z podobnym eksperymentem odbyło się we współpracy z La Sapienza University w Rzymie, czego owocem są publikacje naukowe zawierające porównanie wyników pomiarów w komorze mikrometrycznej z analizą numeryczną. Najważniejszym wynikiem w projekcie jest utworzenie nowego laboratorium w Instytucie Energii Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Okrętownictwa Politechniki Gdańskiej oraz uzyskanie cennych spostrzeżeń popartych wartościowymi publikacjami. Ważnym osiągnięciem projektu jest fakt, iż umożliwia powiązanie wpływu parametrów nanoskalowych, takich jak rozmiar i kształt nanocząstek z efektami makroskopowymi, polem temperatury i tym samym stwarza w przyszłości możliwości utylitarne.