Znanstveni projekt

	Ministarstvo znanosti, obrazovanja i mladih   Inženjerstvo površina polimerno-nanočestičnih kompozita pomoću plazme
voditelj projekta	Nikša Krstulović
suradnici	Rafaela Radičić Julio Car Karolina Pietrzak Rok Zaplotnik - Voditelj projekta
datum početka	01.01.2025.
datum završetka	31.12.2026.
područja istraživanja	Fizika plazme

Sažetak

Inženjerstvo površina pomoću plazme je postupak koji modificira površinu materijala pomoću plazme da bi im se poboljšala površinska svojstva, kao što su adhezija, vlažnost i biokompatibilnost. U slučaju polimera, plazma inženjering može se koristiti za poboljšanje njihovih površinskih svojstava za širok spektar primjena.

U ovome projektu tretirat ćemo plazmom prirodne i održive polimerne derivate koji se koriste u tekstilnoj industriji i industriji hrane tako da se u njih ugrade nanočestice i da se funkcionaliziraju i da im se time poboljšaju svojstva.

Proučavat ćemo i ulogu površinske obrade plazmom na vlaženje i adheziju kompozitnih polimera te utjecaj atmosferskog plazmenog mlaza na povećanje površinske energije i reaktivnosti nepolarnih materijala pri obradi polimera.

Polimeri koji će se koristiti bit će polianilin (PA), polietilen (PE), polivinil klorid (PVC) i polietilen tereftalat (PET), a tretman će se vršiti pomoću atmosferskog plazmenog mlaza i niskotlačnih plazmi raznih plinova. Nanočestice od interesa su ZnO, Ag i TiO₂, a sintetizirat će se pomoću laserske ablacije pripadnih meta u tekućinama na Institutu za fiziku. Polimeri sa nanočesticama će se dodatno analizirati na Institutu za fiziku na testove mjerenja stopa curenja nanočestica iz njih pomoću ICP-OES uređaja (s ppb osjetljivošću).

Fizička i kemijska svojstva polimernih materijala mogu se modificirati, prilagoditi i poboljšati promjenom površinskih svojstava (kao što su hrapavost, močivost, adhezija i funkcionalnost) ili inkorporacijom metalnih nanočestica čime se stvaraju nove klase polimernih kompozitnih materijala. Takvi hibridni polimeri privlače puno pozornosti jer imaju odlična svojstva primjenjiva u nanobiotehnologiji, medicini, nanokemiji, optoelektronici te u tekstilnoj i prehrambenoj industriji. Takve primjene uključuju inkorporaciju metalnih nanočestica u polimerne materijale ili polimerne čestice za stvaranje antibakterijskih substrata (antibakterijski biofilmovi, antibakterijska vlakna) i UV premaza. Metalne ili poluvodičke nanočestice, kao što su Ag, Au, Cu i ZnO nanočestice, predstavljaju novu generaciju antimikrobnih agenata za raznovrsne primjene, zbog velikog omjera površine i volumena, male veličine i svog oblika. Općenito postoje dva standardna načina za inkorporaciju nanočestica u polimere i povezane materijale: a) dodavanje nanočestica u polimer kao disperzijsko/reakcijski medij što vodi do stvaranja 3D disperzije i b) depozicija nanočestica na unaprijed sintetizirani polimer koju ćemo i mi koristiti i unaprijediti na način da ćemo navedene nanočestice sintetizirat putem laserske ablacije pripadnih meta u vodi i potom ih ugrađivati u polimerne površine pomoću atmosferskog plazmenog mlaza (APPJ) helija ili argona kao inovativnom metodom. Ova metoda je inovativna i prvi put se spominje u našem vlastitom radu (10.1007/s00170-018-2988-4). Također ćemo koristiti i radiofrekventnu niskotlačnu induktivno vezanu plazmu (RF-ICP). Na tako dobivenim polimerima određivat ćemo antimikrobnost te mjeriti njihova optička svojstva. Radit ćemo i test curenja nanočestica iz polimera. Polimeri od interesa su polianilin (PA), polietilen (PE), polivinil klorid (PVC) i polietilen tereftalat (PET). 

Radni paket 1:

– Sinteza polimernih kompozita pomoću niskotlačne RF-ICP plazme

Radni paket 2:

– Sinteza polimernih kompozita pomoću atmosferskih plazmenih mlazova

Radni paket 3:

– Analiza i optimizacija sinteze iz RP1 i RP2

Ovaj projekt se oslanja i na daljnje primjene održivih polimernih kompozitnih materijala modificiranih plazmom u pročišćavanju vode (fotokataliza organskih boja), biomedicinskim primjenama, razvoju materijala za pakiranje hrane i biorazgradivih polimera te u primjenama u senzorici.

Definicija ciljeva projekta

 Cilj projekta je sinteza kompozitnih polimera s ugrađenim nanočesticama s poboljšanim svojstvima kao što su funkcionalnost, hrapavost, adhezija i antimikrobnost.

Dodatni ciljevi:

– ispitati koja je vrsta nanočestica najpogodnija za poboljšanje svojstava kompozitnih polimera
– ispitati koja je vrsta plazme najpogodnija za ugradnju nanočestica da bi se dobili polimerni kompoziti
– ispitati koja je vrsta plazme najpogodnija za unaprijeđenje površinskih svojstava polimera
– jačanje međunarodne znanstvene suradnje i znanstvene aktivnosti – prijava na buduće zajedničke projekte
– podizanje znanstvene izvrsnosti – objava barem dva WoSCC rada iz Q1 ili Q2 kvartile

Očekivani rezultati i postignuća

 Mjerljivi pokazatelji:

–              Sinteza polimera PA, PE s inkorporiranim nanočesticama ZnO, Ag i TiO2

o             Pokazatelj uspješnosti je mala stopa curenja nanočestica iz polimera, manja od 2 g/kg. Ovaj rezultat se očekuje na barem jednoj kombinaciji vrste polimera i nanočestica

o             Pokazatelj uspješnosti su antimikrobna svojstva polimera na E-coli gdje je stopa redukcije log3 ili bolja.

o             Određivanje uvjeta pod kojim je inkorporacija najuspješnija (vrsta plazme, tlak plina, narinuti napon, vrijeme tretmana)

–              Objavljivanje barem dva  znanstvena rada s međunarodnom recenzijom u Q1 ili Q2 časopisu

–              Zajednička prijava na buduće projekte

Opis dosadašnje suradnje

 Suradnja naše dvije grupe počela je prije više od 20 godina i realizirala se kroz bilateralni projekt ”Characterization of plasma for the processing of biocompatible materials” (2004-2006) i odobrenu patentnu prijavu ”Metoda in naprava za selektivno jedkanje kompozitnih materialov z lasersko ablacijo” (2007). Suradnja je također rezultirala objavom 20-ak zajedničkih znanstvenih radova i konferencijskih priopćenja, a mahom se bazirala na primjeni atmosferskih i niskotlačnih plazmi na tretman i sterilizaciju materijala te na karakterizaciji plazmi i pripadnih procesa pomoću katalitičkih sondi i optičlke emisijske spektroskopije. Naše dvije grupe u posljednje vrijeme surađuju i u širem sastavu što je rezultiralo realizacijom dva poslijedoktorska usavršavanja naših članova (jedno na IJS-u i jedno na IF-u) iz kojih su također proistekli znanstveni radovi.