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

Abstract

У овој докторској дисертацији су испитана морфолошка и структурнасвојства наночестица сребра и злата које су добијене јонском имплантацијом уполиетилен велике густине (HDPE). Поред основних својстава испитане су ипотенцијалне примене ових материјала као и њихово понашање у реалнимусловима. Јони сребра и злата имплантирани су дозама од 1.1015, 5.1015 и1.1016 јона/cm2 и енергијама од 50, 100, 150 и 200 keV. Избор ових доза иенергија су последица детаљних истраживања о могућностима постизањаоптималних наноструктурних својстава система метал – полимер.Прелиминарни прорачуни пројектованих домета, расподеле јона,енергетских губитака и потенцијалних радијационих оштећења извршени супрограмским пакетом SRIM (Stopping Range of Ions in Matters). Имплантиранејонске врсте у полимерној основи су потврђене методама Рендгенскедифракције (XRD), Масене спектрометрије (ICP – MS), Рендгенскефотоелектронске спектроскопије (XPS) и трансмисионе и сканирајућеелектронске микроскопије (TEM, SEM). Оптичка својства и степен активацијеполимера наночестицама сребра и злата испитивани су спектроскопскомелипсометријом (SE). Узорци HDPE са инкорпорираним наноструктурнимчестицама даље су карактерисане следећим методама: Микроскопијом у пољуатомских сила (AFM), применом тачкастог (tapping mode) и фазног начинаснимања (phase mode) извршене су топографска и фазна анализа променанасталих на површини HDPE; Промене у структури попречног пресека као ианализе зона радијационог оштећења праћене су микроскопијом сапроменљиво - контролисаном силом (AFM – FMM) заснованој наконтролисаним осцилацијама на областима различите вискозности уматеријалу. Анализом функције спектра снаге (PSD) испитане су површинске појаве настале јонском имплантацијом и представљени су основни механизмиреакција на површини анализом нагиба PSD функције. Додатне информације оповршинским својствима и адхезивности површина добијених јонскомимплантацијом добијене су мерењем контактног угла и израчунавањемповршинске енергије. Разлике у дозама имплантације као и енергијамаусловиле су настанак површина различитих поларности и афинитета.Промене у хемијском саставу површине потврђене су методоминфрацрвене спектроскопије FTIR-ATR (FTIR - attenuated total reflectance), гдеје уочен настанак нових хемијских веза услед јонске имплантације.Симулација услова реалне експлоатације извршена је у озон генераторуу току од 2 сата. Узорци имплантирани јонима злата различитих енергијапоказали су различиту отпорност на дејство озона. Најстабилнији међу њима јеузорак имплантиран јонима злата енергије 150 keV. Наноструктурни системиметал полимер испитани су на инхибицију на два најчешћа клиничкамикроорганизма S. aureus и E. coli. Због своје потенцијалне примене убиомедицини веома је важно испитати понашање ових система умикробиолошки непожељним срединама. Истраживања су показала да су јонисребра и злата добри инхибитори у случају S. aureus док је за инхибицију E. coliполимерни материјал потребно додатно оплеменити неким антибиотицима илибиоцидима.

In this doctoral dissertation the morphological and structural properties ofsilver and gold nanoparticles, obtained by ion implantation in high densitypolyethylene (HDPE) have been studied. In addition to the basic properties, potentialapplications of these materials and their behavior were also investigated in realconditions. Silver and gold ions have been implanted with doses of 1.1015, 5.1015 and1.1016 ions/cm2 and energies of 50, 100, 150 and 200 keV. The selection of thedoses and energies were the result of detailed research on the possibilities ofachieving optimal properties of nanostructured systems metal - polymer.Preliminary calculations of the projected range, distribution of ions, energyloss and potential radiation damage were performed using software package SRIM(Stopping Range of Ions in Matters). The presence of implanted ion species in thepolymer matrix was confirmed by X-ray diffraction (XRD), Mass spectrometry ICP –MS, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and transmition and scanning electronmicroscopy (TEM, SEM). Optical properties and the degree of the polymer activationwith nanoparticles of silver and gold were performed using spectroscopicellipsometry (SE). Confirmed nanostructured particles incorporated in the polymermatrix are further characterized by the following methods: Atomic Force Microscopy(AFM), using the tapping mode and phase mode for topographic and phase analysisof the changes on the HDPE surface; Changes in the cross section as well as theanalysis of radiation damage zone were performed using Force ModulationMicroscopy (AFM – FMM), based on the controlled oscillations in areas with differentviscosities in the material. Power Spectral Density (PSD) was used for theinvestigation of the surface phenomena caused by ion implantation and presentedthe basic surface reactions mechanisms analysing the slope of PSD functions.Additional information on surface properties and surface adhesion obtained by ionimplantation were obtained using the Contact Angle Measurement (CAM) and calculating the free surface energy. Differences in the implantation doses andenergies have caused the formation of different surface polarity and affinity.Changes in the chemical composition of the surface were confirmed usinginfrared spectroscopy FTIR-ATR (FTIR - attenuated total reflectance), where newchemical bonds are obtained due to ion implantation.Simulation of the conditions of the real operation was performed in the ozonegenerator during the 2 hours. Samples implanted with gold ions of different energiesshowed different resistance to ozone. The most stable among them was the goldimplanted sample with the energy of 150 keV. Nanostructured metal – polymersystems were tested for inhibition of the two most common clinical microorganism S.aureus and E. coli. Because of their potential applications in biomedicine it is veryimportant to examine the behavior of these systems in microbiological undesirableareas. The obtained results have shown that silver and gold ions are good inhibitorsin the case of S. aureus, while for the inhibition of E. coli, polymeric material shouldbe further enhanced using certain antibiotics or biocides.