Inspireret af naturen: Selvsamlende molekyler

Inspireret af naturen: Selvsamlende molekyler Inspireret af naturen: Selvsamlende molekyler Selvsamling betyder spontan organisering af enheder i systemer eller strukturer uden menneskelig indblanding. Fænomenet forekommer overalt i naturen, lige fra organisering af planeter i solsystemer til atomer i krystalgitre. Også industrien udnytter atomer og molekylers selvsamlende egenskaber i stadigt større omfang og forskerne studerer processen med atomare mikroskoper. Den store udfordring er at designe molekyler, som kan samle sig selv til materialer med helt nye egenskaber. af Anne Hansen Selvsamling er et princip som naturen bruger til at bygge alt lige fra proteiner til hvaler. Forskerne har ved at studere naturen ladet sig inspirere til at udvikle en helt ny måde at fremstille materialer på, den såkaldte bottom-up metode. Bottom-up eller Top-down Traditionelt fremstilles materialer ved det, som kaldes for Top-down -metoden, hvor man ved at fjerne omgivende materiale, fremstiller stadigt mindre dele. Det svarer til billedhuggeren, som starter med en stor blok granit og med sine mejsler hugger mindre og mindre stykker sten af, for til sidst at have en statue. Ulempen ved Top-down - metoden er, at der er grænser for, hvor små ting, man kan fremstille. Alternativet er Bottom-up -metoden, hvor man bygger materialet op fra bunden ved at flytte rundt på de enkelte atomer, på samme måde som man bygger en pyramide ved at stable sten oven på hinanden. Den første, der foreslog, at man kunne bygge materialer atom for atom, var fysikeren Richard P. Feynman i sin berømte tale There s Plenty of Room at the Bottom i 1959. Med Bottom-up -metoden kan man bygge komponenter helt ned til nanostørrelse, dvs. fra 0,1 til 100 nanometer. Samtidig har man fuld kontrol med de enkelte molekylers størrelse og form og atomernes indbyrdes placering. Det betyder, at man kan skabe materialer med helt nye egenskaber. Se filmen Nanomanufacturing: Top-Down and Bottom-Up på nanohub. Selv om Bottom-up metoden lyder lovende, så er problemet, at det med de nuværende teknikker er en meget langsommelig metode og derfor (endnu) ikke anvendelig: Når forskerne bygger med atomer, bruger de et af de vigtigste nanoteknologiske instrumenter, et Scanning Tunnel Mikroskop (side 3 og 4). Men selv med de nyeste af slagsen tager det næsten et minut at flytte et atom i. Et molekyle i nanostørrelse indeholder fra 1000 og helt op til en milliard atomer (fra 10 3-10 9 atomer). Dvs. at det tager næsten 17 timer blot at bygge et enkelt molekyle med 1000 atomer! Selvsamling Så hvordan kan vi udnytte Bottom-up - metodens fordele, uden at bruge en evighed på at bygge selv den mindste komponent? Forskerne kløede sig i hovedet og fik grå hår. Indtil nogen fik den ide at studere naturens byggepladser og fik øje på de selvsamlende systemer: At et system er selvsamlende, betyder, at det organiserer sig selv uden udefrakommende styring. Det sker, fordi nogle molekyler passer så godt sammen med visse andre molekyler, at de, hvis de befinder sig i nærheden af hinanden, med det samme 1

Inspireret af naturen: Selvsamlende molekyler System Atomer, ioner og krystaller Peptider Enzymer Liposomer (fedtpartikler) Polymerer (f.eks. nylon, silke) Flydende krystaller Selvsamlende enkeltlag Bakteriekolonier Sværme (myrer) Kolonier (fisk) Anvendelsesmuligheder Materialer, optoelektronik Reparation af overrevne nerver Vaskepulver, blegning af papir Transport af medicin i kroppen Tekstiler, dæk, skudsikre veste TV skærme, displays Bottom-up fabrikation, sensorer, nanoelektronik Fremstilling af medicin Udvikling af bedre beregnings- og simuleringsmodeller til computere Figur 1: Eksempler på selvsamlende systemer og deres anvendelse falder på plads i en fælles struktur. Selvsamling er et fundamentalt princip i naturen og kan observeres på alle størrelsesskalaer, lige fra dannelsen af solsystemer til foldning af DNA og enzymer. Sammen er vi stærke Molekylær selvsamling sker gennem ikkekovalente bindinger primært hydrogenbindinger, ionbindinger (= elektrostatiske interaktioner), hydrofobe interaktioner og van der Walls bindinger. Bindingerne er hver for sig svage bindinger, men til sammen danner de meget holdbare strukturer. (figur 2). Og ligesom et puslespil kun kan samles på en måde, danner to DNA strenge også altid den samme dobbelthelix. Helixen holdes på plads af hydrogenbindinger mellem strengenes byggesten, nukleotiderne. Fede molekyler Et andet eksempel på selvsamlende molekyler er lipider (fedtmolekyler), der spontant samler sig i miceller, små fedtkugler, når de kommer i kontakt med vand. Koden for, hvordan micellerne skal samle sig, ligger gemt i de enkelte lipider. En vigtig del Molekylær tiltrækning Samlingen af DNA-molekylet er et velkendt eksempel på selvsamling. DNA består af to strenge, der ved at sno sig om hinanden, danner en såkaldt dobbelthelix. Strengene tiltrækkes af hinanden, fordi de er komplentære, dvs. passer sammen på samme måde som to brikker i et puslespil = af koden er et lipids lyst til at være i vand. Lipider er karakteriserede ved at være vandskyende (hydrofobe: hydro= vand, fobi=frygt) i den ene ende og vandelskende (hydrofile: filia=kærlighed) i den anden. Når lipiderne danner miceller, begraves de hydrofobe ender inde i micellen og undgår derved kontakt med det omgivende vand. Hvis man i stedet blander lipiderne med olie, vil de danne en omvendt micelle, dvs. en kugle, hvor de hydrofobe ender vender ud mod den omgivende væske og de hydrofile ender i stedet begraves i micellens indre. Det omgivende miljø har således stor betydning for måden de selvsamlende molekyler organiserer sig på. Figur 2 2

Inspireret af naturen: Selvsamlende molekyler Self-Assembling Monolayers Selvsamlende enkeltlag (SAM= Self- Assembling Monolayer) består af molekyler, der spontant arrangerer sig selv i et ordnet lag på blot et molekyles tykkelse. Kemikerne har udnyttet selvsamlende enkeltlag i årevis. F.eks. bruges de i sølvpudsemidler til at forhindre oxidation af sølvet ved at danne et beskyttende selvsamlende lag uden på sølvet. Selvsamlende enkeltlag bruges også som belægning på bilruder, så de holdes fri for vand og snavs (læs mere om Rainstop i Nanovidensbanken). Høreapparatproducenten Siemens begyndte i 2005 at overfladebehandle alle deres apparater med en nanocoating, dvs. et selvsamlende lag, der forhindrer snavs og fugt i at trænge ind i høreapparatet ii. De selvsamlende lag virker ved at molekylerne går i forbindelse med overfladen og danner en nanotynd film, der ændrer overfladens egenskaber. Svovl tiltrækkes af sølv og guld Selvsamlende enkeltlag kan fremstilles af forskellige molekyler på forskellige typer overflader. I eksperimentet Enkeltlag på sølv, skal du bruge en af de hyppigst anvendte kombinationer, nemlig alkanthioler på en overflade af sølv. Et alkanthiol er en lang kulstofkæde med en SH- (thiol-) gruppe for enden (figur 3). Svovl er velegnet, fordi det binder let og stabilt til både guld og sølv. Hvordan fremstilles et enkeltlag? En opløsning af thiolmolekyler hældes ud på en overflade dækket med sølvpartikler. Thiolgruppen tiltrækkes stærkt af ædelmetallet og danner covalente bindinger til sølvet, hvorved der dannes et to-dimensionelt lag oven på sølvoverfladen. Dette er det selvsamlende enkeltlag (SAM). Figur 4: Selvsamlende enkeltlag. Molekylerne binder til sølvoverfladen (grøn) via thiolgrupper (gul), mens halerne stikker ud i opløsningen. Det er vigtigt at bemærke, at det dannede lag kun er et molekyle tykt. De selvsamlende molekyler kan ikke sætte sig sammen til lange kæder, men danner udelukkende svovlbindinger mellem thiolgruppen og det underliggende ædelmetal. Laget stabiliseres af Van der Waals-bindinger mellem molekylerne indbyrdes. På den måde kan kemikerne fremstille ultratynde selvsamlende lag, for eksempel er et selvsamlende lag af hexadecanthiol blot 2-3-nanometer tykt iii! Halen afgør egenskaben Enkeltlaget ændrer overfladens egenskaber ganske dramatisk, f.eks. kan overfladen gøres meget hydrofob. Hvilke kemiske egenskaber, der tilføres, afgøres af sammensætningen af molekylets hale, der kan ændres på både før og efter samlingen af enkeltlaget. Figur 3: Et alkanthiol-molekyle 3

Inspireret af naturen: Selvsamlende molekyler Kontrol over de selvsamlende molekyler Men selvom om selvsamlende enkeltlag allerede i dag bliver brugt industrielt, så mangler forståelsen af, hvad der sker på det molekylære plan. Atomer og molekyler Figur 4: STM-billede er i størrelsesordenen af overfladen af et 0,1 100.000 nanometer og først da keltlag selvsamlende en- scanning probe mikroskoperne blev opfundet i 1980 erne, blev det muligt at se så små størrelser. Med mikroskoperne kunne forskerne nu studere de selvsamlende molekyler, mens samlingen skete. Bl.a. kunne de undersøge, hvordan det påvirkede selvsamlingen, hvis de ændrede på de enkelte molekylers form, elektriske ladning eller masse. Det er i disse egenskaber, at koden for det færdige produkts udseende ligger og hvis forskerne forstår koden, kan de skabe materialer, der indeholder information nok til at styre deres egen vækst. Eksempler på ende-grupper med forskellige egenskaber: -CH 3 -OH -(C=O)CH 3 -O(C=O)CH 3 -O(C=O)CF 3 -O(C=O)C 6 H 5 -COOH -OSO 3 H Fremtidige anvendelsesmuligheder I fremtiden vil vi se mange nye anvendelser af selvsamlende molekyler. I laboratorier verden over arbejder forskerne på at udvikle SAM, der bl.a. kan bruges i molekylær elektronik, dvs. molekyler, der fungerer som ledninger i nanostørrelse. Selvsamlende enkeltlag af flydende krystaller har en fremtid i tv-fladskærme, som dermed bliver endnu tyndere end dem, vi kender i dag. Andre forskere udvikler SAM, der kan detektere specifikke DNAsekvenser og bruges til DNA-analyser samt sensorer, der sporer antistoffer og kan anvendes til sygdomsdiagnosticering. Til glæde for miljøet Miljøet kan også få gavn af SAM. Overfladebehandling af bygninger, køretøjer og både med de beskyttende enkeltlag, betyder at forbruget af rengøringsmidler mindskes og at materialernes levetid øges, fordi de beskyttes mod nedbrydning af rust, vind og vejr. men måske også til skade? Selv om selvsamlende molekyler har eksisteret i naturen i milliarder af år og kan bruges til gavn for miljøet, kan deres anvendelse i nye og menneskeskabte produkter også være potentielt skadelige. Derfor må hvert nyt produkt testes grundigt for evt. skadelige effekter på mennesker og natur, før det tages i brug. 4

Inspireret af naturen: Selvsamlende molekyler Spørgsmål 1. Hvilke typer bindinger er involveret i molekylær selvsamling? 2. Nævn nogle eksempler på selvsamling i naturen. 3. Nævn nogle eksempler på industriel brug af selvsamlende enkeltlag. 4. Hvilke af de følgende er ikke eksempler på selvsamling? a. DNA-dobbelthelix b. Sæbebobler c. Dannelsen af et saltkrystal d. Fremstilling af sukker under fotosyntesen e. Samling af alkanthiol-enkeltlag på guld 5. Hvilke af de følgende kan påvirke selvsamlingen af en gruppe molekyler? a. Formen på de enkelte molekyler b. Tiltrækkende og frastødende kræfter imellem molekylerne c. Det omgivende miljø d. Både a og b e. Alle de ovennævnte (a, b, c) 5

Inspireret af naturen: Selvsamlende molekyler Referencer: 1. Biomolecular Self-Assembly og Self-Assembly Nanoword.net Encyclopedia: (http://www.nanoword.net/library/weekly/aa051400a.htm) Kort gennemgang af forskellige molekylers selvsamling, bl.a. DNA, proteiner, enzymer, lipider og selvsamlende monolag (SAM). 2. Patterning Self-Assembled Monolayers on Gold Green Materials Chemistry in the Teaching Laboratory LC McKenzie, LM Huffman, KE Parent and JE Hutchinson Journal of Chemical Education April 2004 Baggrund om SAM samt præsentation af eleveksperimenter Bilag: Introductory Informations for Students and Instructors Indeholder introduktion og baggrundstekst om SAM, vejledning til eksperimenter, samt lærervejledning. Kan indgå i forløb om grøn kemi. 3. Molecular Assembly and Self-Assembly. Molecular Nanoscience for Future Technologies MD Wild, S Berner, H Suzuki, L Ramoino, A. Baratoff, TA Jung Ann. N.Y. Acad. Sci. 2003, 1006: 291-305. Review om brugen af molekylær selvsamling til fremstilling af nanoteknologiske apparater og elektronik. 4. Self Assembly Department of Physics and Measurement Technology, Linköping Universitet. (http://www.ifm.liu.se/applphys/sensor/self.html), Baggrund, fremstilling og funktionalitet af SAMs. 5. Self-assembly at all scales GM Whitesides, B Grzybowski Science 2002, 295 (5564): 2418-2421 Viewpoint som forklarer begrebet selvsamlende systemer og kommer med eksempler på naturlig og kemisk selvsamling. i De Wild et al: Molecular Assembly and Self-assembly: Molecular Nanoscience for Future Technologies, 2003. ii Rexton Nyhedsbrev, juni 2005, nr. 3: http://www.hoergeraete-siemens.de/00_dk/b2b/06_nyhedsbreve/nyhedsbrev_3_0605.pdf iii Self Assembly (http://www.ifm.liu.se/applphys/sensor/self.html), 6

Nylon Nylon er en af de mest anvendte syntetiske polymerer. Fibrene er stærke og bruges i en lang række produkter lige fra strømpebukser til tennisketsjere. I det følgende kan du læse om fremstillingen af polymerer og om nylonfibres specielle egenskaber. af Anne Hansen Polymerer En polymer er et molekyle, der er sat sammen af mange mindre, ens dele (poly = flere, mange; mer = del). De mindre dele kaldes for monomerer (mono = enkelt, alene) og den kemiske reaktion, hvorved polymeren dannes, kaldes for en polymerisering. Træfibre, bomuld, silke, rågummi, stivelse og proteiner er eksempler på naturlige polymerer. Nylon, plastik og kunstig gummi er alle syntetiske polymerer. I USA produceres og bruges der større mængder syntetiske polymerer årligt end mængden af stål, aluminium og kobber tilsammen. Nogle væsentlige forskelle på monomere og polymere molekyler Monomerer Polymerer reaktive stoffer få kulstofatomer i hvert molekyle normalt en gas eller en væske ikke-reaktive stoffer mange kulstofatomer i en lang kæde altid et fast stof Figur 1: Naturlige og syntetiske polymerer. Til venstre: uld (brun), kunstige fibre (røde), midtfor: bomuld (grøn), polyester (gul), til højre: silke. 1

Nylon Nylon er nogle af de vigtigste polymere fibre, der produceres kommercielt. Hvis du nogensinde har sovet i et telt eller brugt en tandbørste, så har du brugt nylonfibre. Faktisk var det første nylonprodukt en tandbørste med hår af nylon. Nylon blev opfundet i 1938 og under 2. verdenskrig blev fibrene brugt som erstatning for silke i strømpebukser. Desværre blev nylon hurtigt en mangelvare, fordi den blev brugt til reb og faldskærme til soldaterne under krigen. I dag findes der nylon alle vegne omkring os. Kig dig omkring i lokalet, på dig selv og dine venner. Hvor kan du finde eksempler på brugen af nylon? (Hint: Kig på mærkerne i dit tøj, varedeklarationer m.m. Nylon optræder tit under andre navne, f.eks. Kevlar, polyamid, polyamid plast) Nylon et polyamid På figur 2 nedenfor, kan du se en gruppe atomer i rødt. Gruppen kaldes for en amidgruppe. Nylon kaldes for et polyamid pga. denne amidgruppe i den centrale del af kæden. amidgruppe Figur 2: Nylonpolymer Nylonfibres store styrke skyldes, at de lange polymerkæder er strukket helt ud og ligger i parallelle rækker tæt på hinanden. I denne ordnede struktur dannes der hydrogenbindinger i mellem de meget polære amidgrupper (figur 3). Andre kræfter, f.eks. Van der Waals-bindinger og dipol-dipol-bindinger, bidrager også til at holde kæderne sammen. Tilsammen er de ikkekovalente bindinger så stærke, at det er meget energikrævende at trække polymererne fra hinanden. Næste gang du trækker i et nylonreb så prøv at lægge mærke til, at det ikke strækker sig ret meget. Figur 3: Nylon 6,6. Hydrogenbindinger mellem carbonylgruppernes oxygenatomer og amidgruppernes hydrogenatomer. 2

Nylonpolymeren på figur 4 kaldes for nylon 6,6, fordi hver af de monomere, som kæden består af, er delt i to dele med hver seks carbonatomer. Forskellige typer nylon består af monomere med forskellige antal carbonatomer. Figur 4: Nylon 6,6 Nylon 6,6 bruges især i tekstiler. En anden type nylon - nylon 6,10 - bruges til børster og sportsudstyr. Fremstilling Polymerer kan fremstilles på to måder: ved en additionsreaktion, hvor en dobbeltbinding i en monomer omdannes til en enkeltbinding i mellem to monomere, f.eks. polystyren (flamingokugler): Styren Styren Polystyren (flamingokugler) Figur 5: Additionsreaktion Eller ved en kondensationsreaktion, hvor dele af de monomere molekyler spaltes fra undervejs. De fraspaltede dele reagerer indbyrdes og danner som oftest små molekyler, som for eksempel vand, alkohol eller HCl. Nylon 6,6, som er den type nylon, du selv skal fremstille i eksperiment 5: Nylonsyntese, fremstilles ved en kondensationsreaktion mellem adipoylchlorid og 1,6-diamonihexan: Adipoylchlorid 1,6-diamonohexan Nylon 6,6 Figur 6: Kondensationsreaktion Fordi der er mindre masse i polymeren end i de oprindelige monomere molekyler, siger vi, at polymeren er kondenseret (=fortættet) i forhold til monomererne. 3

Nanonylon Nu tænker du måske, at da opfindelsen af nylon er mere end 60 år gammel, må det være svært at finde på nye anvendelser af polymeren. Men sådan forholder det sig slet ikke. De nye muligheder, som nanoteknologien giver forskerne for at manipulere med materialer på molekylært niveau og derved give dem helt nye egenskaber, kommer også nylon til gode. For eksempel kan nylon kombineres med nanopartikler af ler og bruges i stedet for almindelig plastik. Det nye materiale, som kaldes for et nanokomposit, bruges i biler, fordi det er lettere, stivere og mere modstandsdygtigt over for ridser og buler. Urfirmaet Seiko har udviklet en anden type nanokomposit bestående af nylon og nanorør, som de laver de bittesmå urdele af. Med nanoteknologien går brugen af nylon en ny tid i møde. Referencer 1. Nylon, Making Nylon 6,6 og Putting Them Together. Artikler hentet fra The MacroGalleria Website: http://pslc.ws/mactest/index.htm. Polymer Science Learning Center, Dept. of Polymer Science, University of Southern Mississippi 2. Standard and Greener Approaches to Nylon Synthesis (2005) af Jennifer A. Swift, Dept. of Chemistry, Georgetown University. Artiklen er hentet fra http://www.georgetown.edu/faculty/jas2/nylon.pdf 3. Råvarer, polymerer og produktion. http://www.plast.dk/billeder/uddannelse/card6_de.pdf Artikel hentet fra www.plast.dk. Plastindustrien i Danmark. 4. Nanocomposites: Coming Soon to a Store Near You http://mrsec.wisc.edu/edetc/ipse04/educators/activities/supplements/socimp2-article.doc 4

Eksperiment 1: Fremstilling af enkeltlag på sølv - Lærervejledning Fremstilling af enkeltlag på sølv Formål I dette eksperiment skal du undersøge, hvordan vand hæfter til en overflade af henholdsvis metallisk sølv, et nanometer tykt enkeltlag af hexadecanthiol og et nanometer tykt enkeltlag af mercaptondecansyre. Apparatur og kemikalier Petriskål Mikroskopglas Plastdråbepipetter 0,5 M glukoseopløsning Aktiv sølvion-opløsning (se opgave 1) 1-hexadecanthiol opløst i ethanol (se opgave 3) Mercaptondecansyre i ethanol (se opgave 4) Teori Baggrund Inden du starter på eksperimentet, kan du læse om selvsamlende molekyler og enkeltlag i artiklen Inspireret af naturen: Selvsamlende molekyler. Eksperiment Selvsamlende enkeltlag ( Self-Assembling Monolayers =SAM) består af molekyler, der spontant organiserer sig i ordnede strukturer på en overflade. Organiseringen sker via specifikke interaktioner imellem overfladen og molekylerne og imellem molekylerne indbyrdes. Lagene, der er blot et molekyle tykt, kan fremstilles ud fra flere typer mole- kyler og overflader. I dette eksperiment skal du fremstille og sammenligne to typer enkeltlag Figur 2: Hoppende vanddråbe på hydrofob overflade. på en glasoverflade belagt med sølv. Det første enkeltlag består af molekyler med en methylgruppe for enden, mens det andet molekyle har en carboxylsyregruppe. Du vil erfare, hvordan hydrofobiciteten af en overflade kan ændres ved at ændre på molekylernes sammensætning. 1

Eksperiment 1: Fremstilling af enkeltlag på sølv - Lærervejledning Til læreren Anvendte opløsninger 0,1M AgNO 3 : 1,7 g pr. 100 ml opløsning 0,8M KOH: 4,5 g pr. 100 ml opløsning 0,5M glukose: 9,0 g pr. 100 ml opløsning Hexadecanthiol i ethanol: Mercaptondecansyre i ethanol: Tilsæt 10 dråber hexadecanthiol til 20 ml ethanol. Ryst blandingen inden brug. Alternativt kan du bruge oktadecanthiol. Fremstil en 1mM opløsning af mercaptondecansyre i ethanol. Kommentar fremstilling af sølvion-opløsning Som indledning til forsøget kan du vise, hvordan man fremstiller den aktive sølvion-opløsning: 1. Afmål 100 ml 0,1M sølvnitrat. Overfør det til et bægerglas. 2. Tilsæt et par dråber koncentreret ammoniakvand, hvorved der dannes et brunligt bundfald. Fortsæt derpå med at tildryppe ammoniakvand, indtil bundfald igen er gået i opløsning og opløsningen er farveløs. 3. Tilsæt derpå 50 ml 0,8M kaliumhydroxid. Der fremkommer et kraftigt brunligt bundfald. 4. Tildryp koncentreret ammoniakvand, indtil bundfaldet er gået i opløsning, og opløsningen er blevet farveløs igen (se opgave 1). 11-Mercaptoundecansyre Forhandles også under navnene carboxy-1-decanethiol og 11-Mercaptoundecanoic acid. Kan købes hos Sigma-Aldrich: http://www.sigmaaldrich.com/area_of_interest/europe_home/denmark.html Sikkerhed Brug af handsker anbefales for at undgå kontakt med hexadecanthiol og mercaptondecansyre. De anvendte thioler er tilstrækkelig non-volatile til, at eleverne kan arbejde udenfor stinkskab. Reference http://mrsec.wisc.edu/edetc/nanolab/agthiol/index.html 2

Eksperiment 1: Fremstilling af enkeltlag på sølv - Lærervejledning Eksperiment - Hexadecanthiol-enkeltlag på sølv 1. Læg et rent mikroskopglas i en petriskål. Anbring 5 dråber 0,5 M glukoseopløsning på mikroskopglasset. 2. Tilsæt 25 dråber aktiv sølvion-opløsning til glukoseopløsningen. 3. Vent mens blandingen bliver mørkere, og der dannes et gråligt bundfald (ca. 3 min.). Der dannes desuden et sølvspejl på pladen, selv om det kan være svært at se pga. bundfaldet (se opgave 2). 4. Skyl bundfaldet væk med demineraliseret vand for at se sølvspejlet tydeligere. 5. Fjern mikroskopglasset fra petriskålen - husk at bruge handsker! Skyl glasset med demineraliseret vand og lad det tørre. En hurtigere tørring opnås ved efterfølgende at skylle i acetone. 6. Anbring nu - én dråbe af gangen i alt 5 dråber vand forskellige steder på sølvoverfladen. 3

Eksperiment 1: Fremstilling af enkeltlag på sølv - Lærervejledning Betragt vanddråbernes form. Flader de ud eller er de spændt op? Man kan beskrive formen af dråben ved hjælp af kontaktvinklen mellem dråben og glaspladen. Figur 2: Kontaktvinkler 7. Læg til sidst glaspladen i stinkskabet eller under punktudsugningen. Dæk sølvoverfladen med 3-4 dråber hexadecanthiol i ethanol. 8. Lad ethanolen fordampe i stinkskabet. Herved bindes svovlatomerne til sølvoverfalden. Carbonhydridhalen peger væk fra sølvet og udgør den nye overflade på glasset (se figur 3 og opgave 3). Thiolmolekylerne ligger i ét enkelt lag. Dette lag er kun få nanometer tykt men ændrer fuldstændigt overfladens egenskaber. 9. Tilsæt nu igen vand dråbevis til pladen. Beskriv formen af dråben. Vanddråberne opfører sig som kviksølvkugler. Man kan skubbe dem rundt på overfladen og få dem til at smelte sammen (se opgave 5). 4

Eksperiment 1: Fremstilling af enkeltlag på sølv - Lærervejledning Eksperiment - Mercaptondecansyre-enkeltlag på sølv 10. Fremstil endnu et mikroskopglas coatet med sølv ved at gentage proceduren i trin 1-5. Husk at bruge handsker. 11. Læg til sidst glaspladen i stinkskabet eller under punktudsugningen. Dæk sølvoverfladen med 3-4 dråber mercaptondecansyre i ethanol. 12. Lad ethanolen fordampe i stinkskabet. Herved bindes svovlatomerne til sølvoverfalden. Carboxylsyrehalerne peger væk fra sølvet og udgør den nye overflade på glasset (se figur 4 og opgave 4). Carboxylsyrehaler Figur 4: Enkeltlag af mercaptondecansyre-molekyler på sølv. 13. Tilsæt nu igen vand dråbevis til pladen. Beskriv formen af dråben. Beskriv desuden hvordan vanddråberne opfører sig på overfladen. 5

Eksperiment 1: Fremstilling af enkeltlag på sølv - Lærervejledning Spørgsmål og opgaver 1. Sølvion-opløsningen er lavet på følgende måde: Til en opløsning af sølvnitrat tilsættes en opløsning af kaliumhydroxid, hvorved der dannes et brunt bundfald. Derefter tilsætter man dråbevis koncentreret ammoniakvand, indtil bundfaldet er gået i opløsning. Bundfaldet, der dannes, når sølvnitrat og kaliumhydroxid blandes, består af det tungt opløselige sølvoxid. Ved reaktionen dannes desuden kaliumnitrat og vand. Opskriv og afstem reaktionsskemaet mellem sølvnitrat og kaliumhydroxid. Hvilken reaktionstype er der tale om? Når bundfaldet opløses ved tilsætning af ammoniak, skyldes det, at der dannes den letopløselige sølvdiamin-ion, Ag(NH 3 ) 2 + : Ag 2 O(s) + NH 3 + H 2 O Ag(NH 3 ) 2 + (aq)+ OH - (1) Afstem reaktionskema (1) ovenfor. Bemærk, at hydroxidionen igen bliver frigivet. 2. Når man tilsætter glukoseopløsningen til sølvion-opløsningen, bliver sølvionen reduceret til metallisk sølv, mens et af carbonatomerne i glukosen oxideres. Reaktionen kan sammenfattes i følgende reaktionsskema: Ag(NH 3 ) 2 + (aq)+ R-CHO + OH - Ag(s) + R-COO - + NH 3 + H 2 O (glukose) Bemærk, at NH 3 igen bliver frigivet. Vi kan derfor opskrive et mere forenklet reaktionsskema, idet vi udelader ammoniak: +1 +3 Ag + (aq)+ R-CHO + OH - Ag(s) + R-COO - + H 2 O (2) 6

Eksperiment 1: Fremstilling af enkeltlag på sølv - Lærervejledning Glukose er angivet som R-CHO, hvor R repræsenterer atomgruppen CH 2 OH(CHOH) 4 -. Denne gruppe påvirkes ikke under reaktionen. Det anførte carbonatom i glukose oxideres under reaktionen. I reaktionsskema (2) er anført oxidationstallet for dette før og efter reaktion. Som man ser, ændres oxidationstallet fra +1 til +3. Afstem reaktionsskema (2) ovenfor. Hvilken reaktionstype er der tale om? 3. Formlen for 1-hexadecanthiol er CH 3 (CH 2 ) 15 SH. En tegning af molekylet ser sådan ud: C H 3 CH 2 CH 2 CH2 CH 2 CH2 CH 2 CH2 CH 2 CH 2 CH 2 CH2 CH 2 CH 2 CH 2 SH eller som tredimensionel model: Markér hvilken del af molekylet, der er polær og hvilken del, der er upolær. 4. Formlen for mercaptondecansyre er CH 3 (CH 2 ) 15 SH. En tegning af molekylet ser sådan ud: eller som tredimensionel model: Markér hvilken del af molekylet, der er polær og hvilken del, der er upolær. 7

Eksperiment 1: Fremstilling af enkeltlag på sølv - Lærervejledning 5. Beskriv forskellen i den måde vanddråberne lægger sig på den rene sølvoverflade og på de to coatede sølvoverflader. Forklar denne forskel. 6. Vi ser igen på 1-hexadecanthiol-molekylet: 0,154nm 109 0,181nm Se på modellen af molekylet. Antag at bindingsvinklen mellem to atomer i kæden er 109. Antag også at bindingslængden mellem to carbonatomer er 0,154nm, mens den mellem carbon og svovl er 0,181nm og den mellem svovl og hydrogen er 0,134nm (ikke markeret på figuren ovenfor). Beregn lagets tykkelse, hvis molekylet ligger udstrakt som vist på figuren i 2 dimensioner. Angiv resultatet i nm. 7. Nævn nogle eksempler på brugen af selvsamlende enkeltlag, herunder hvilken egenskaber den coatede overflade tilføres. 8

Syntese af kolloidt guld Eksperiment 2: Syntese af kolloidt guld - Lærervejledning Formål I dette eksperiment skal du fremstille en kolloid opløsning samt undersøge, hvilke optiske egenskaber opløsningen har. Apparatur og kemikalier 250 ml konisk kolbe 100 ml måleglas Spatel Teflontape Laser eller laserpegepind Hydrogentetrachloroaurat-monohydrat, HAuCl 4 H 2 O Trinatriumcitrat-dihydrat, Na 3 C 6 H 5 O 7 2H 2 O Teori En kolloid opløsning er en mellemting melem en ægte opløsning og en suspension (= en opslemning af meget findelte partikler, som med tiden vil synke til bunds). Partiklerne i en kolloid opløsning er af størrelsen 1 nm til 1 μm og falder ikke til bunds, men forbliver i opløsning. Det skyldes, at de er ens elektrisk ladede og frastøder hinanden, hvorved sammenklumpning eller koagulering forhindres. Mælk er et eksempel på en kolloid opløsning. Kolloide partiklerne er desuden så små, at de ikke kan frafiltreres med almindeligt filterpapir. Dog er de så store, at de spre- Guld-nanopartikler der synligt lys. Herved bliver opløsningen halvgennemskinnelig. Når man sender en lysstråle igennem opløsningen, kan man derfor følge strålegangen. 1

Eksperiment 2: Syntese af kolloidt guld - Lærervejledning Til læreren Anvendte opløsninger 1,0 mm Hydrogentetrachloroaurat-opl.: Opløs 0,1 g HAuCl 4 i 500 ml dest. H 2 O 38,8 mm Trinatriumcitrat-opl.: Opløs 0,5 g Na 3 C 6 H 5 O 7 i 50 ml dest. H 2 O Kommentarer til kemikalier 1,0 mm HAuCl 4 stamopløsning er ustabil og holder kun nogle få dage. Ubrugt guld-nanopartikelopløsning fra eksperimentet kan holde sig i flere år, under opbevaring i en brun flaske. Produktet bruges både i E3: Fremstilling af mikrofluid-filter og i E4: Color My Nanoworld. Kommentarer til efterbehandling I efterbehandlingen kan man vælge at angive det afstemte reaktionsskema: 6 AuCl 4 - + ( - OOCCH 2 ) 2 C(OH)(COO - ) +15 OH - 6 Au(kolloid) + 6 CO 2 + 24 Cl - +10 H 2 O og blot tale om, hvilke grundstoffer, der ændrer oxidationstal. Reference http://mrsec.wisc.edu/edetc/nanolab/gold/index.html 2

Eksperiment 2: Syntese af kolloidt guld - Lærervejledning Eksperiment 1. Afvej 10 mg HAuCl 4 og overfør det til den koniske kolbe. Til afvejningen anvendes en spatel med teflontape viklet om. 2. Opløs HAuCl 4 i 95 ml H 2 O og anbring kolben på en varmeplade med omrøring. 3. Tilsæt 0,5 g trinatriumcitrat-dihydrat opløst i 5 ml H 2 O. Lad opløsningen stå på varmepladen i ca. 1 time, hvorved citrationen gradvist reducerer guld. 4. Peg på opløsningen med laserpegepinden, så du sender laserlys igennem væsken. Herved vil du opdage, at der er små partikler i opløsningen, som reflekterer lyset. En sådan opløsning kaldes en kolloid opløsning. De kolloide partikler består af metallisk guld kun nogle få nanometer i diameter. 5. Eftersom lyset fra laserpegepinden er planpolariseret lys, kan du dreje pennen, så laserstrålen næsten forsvinder. Blanding skal nu filtreres med et mikrofilter, som du selv fremstiller. 3

Eksperiment 2: Syntese af kolloidt guld - Lærervejledning Spørgsmål og opgaver De kolloide guldpartikler dannes ved reaktion mellem citrat-ionen, ( - OOCCH 2 ) 2 C(OH)(COO - ) og tetrachloroaurat-ionen, AuCl - 4. Det afstemte reaktionsskema er vist nedenfor. Oxidationstallene er anført for carbonatomerne. +3 2 +1 +3 +4 AuCl 4 - + ( - OOCCH 2 ) 2 C(OH)(COO - ) Au(kolloid) + CO 2 + Cl - tetrachloro- citrat-ion aurat-ion Angiv oxidationstallet for guld på begge sider af reaktionspilen. Afstem reaktionsskemaet. (Hint: ladningerne afstemmes med OH - på venstresiden; husk at citrat-ionens ladning er 3. Tilføj H 2 O for at afstemme O og H). 4

Eksperiment 3: Fremstilling af mikrofluidfilter - Lærervejledning Fremstilling af mikrofluidfilter til filtrering af guld-nanopartikler Formål I dette eksperiment skal du fremstille et såkaldt mikrofluidfilter og vise, at filtret kan bruges til at frafiltrere partikler af nanostørrelse. Apparatur og kemikalier Petriskål Mikroskopglas Plastdråbepipetter Barberblad Dækglas til mikroskop Epoxylim Pipettehoveder til mikropipetter Tynde klare plastslanger Plastsprøjte 0,5M glukoseopløsning Aktiv sølvion-opløsning Konc. ammoniumhydroxid 1-hexadecanthiol i ethanol 1,6-diaminohexan i vand Adipoylchlorid i xylen Kolloid guldopløsning fra E2: Syntese af kolloidt guld Teori Mikrofluidapparater kan bruges til at spore meget små mængder af et stof i en væske. Væsken ledes igennem nanotynde kanaler og undervejs analyseres væskens indhold. Selvom et mikrofluidapparat ofte er stort nok til, at du kan tage det op i hånden, så er kanalerne i filtret ikke meget højere end diameteren på et enkelt hår. Figur 1: Biosensor med mikrofluidkanaler 1

Eksperiment 3: Fremstilling af mikrofluidfilter - Lærervejledning Det betyder, at molekyler helt ned til et par nanometer i størrelsen kan spores i væsken. Det er lykkedes ingeniører og forskere at fremstille mikrofluidapparater, der kan detektere visse former for kræft i en blodprøve tidligere, end kræften kan spores med traditionelle metoder. Der er også blevet fremstillet sensorer, som registrerer forurenende stoffer i vandprøver. Mikrofluidfiltre Udover at fungere som sensorer kan mikrofluidapparater bruges til at fjerne uønskede partikler fra en væske. Det gøres ved hjælp af et indbygget mikrofluidfilter. I dette eksperiment skal du fremstille et sådant filter. Filtret skal du bagefter bruge til at filtrere den vandige opløsning af guld-nanopartikler fra eksperiment 2: Syntese af kolloidt guld. Filtret består af en nylonmembran, som er fremstillet ved en polymerisationsreaktion (figur 2) (læs mere om fremstillingen af nylon i undervisningsmaterialet om nylon). Figur 2: Et mikrofluidfilter af nylon i forstørrel se. Figur 3: Mikrofluidapparatet, som du skal fremstille i dette eksperiment. Nylonfiltret dannes på overgangen mellem det mørke og det lyse område. Området kaldes for den virtuelle væg. Polymerisationsreaktionen finder sted mellem to ikke-blandbare væsker på grænsen mellem en hydrofil og en hydrofob overflade i mikrofluidapparatet. En sådan grænse kaldes for en virtuel væg (figur 3). 2

Til læreren Eksperiment 3: Fremstilling af mikrofluidfilter - Lærervejledning Anvendte opløsninger 0,5M glukose: 0,90 g glukose pr. 10 ml H 2 O (f.eks. i små dråbeflasker). Aktiv sølvion-opl.: Se E1: Fremstilling af enkeltlag på sølv. Hexadecanthiolopl.: 5 dråber i 20 ml ethanol. Ryst blandingen godt. 1,6-diaminohexanopl.: Smelt 6,6 g 1,6-diaminohexan og opløs det i 150 ml H 2 O. Adipoylchloridopl.: 1,5 ml adipoylchlorid i 50 ml xylen Kommentar Denne øvelse kræver stor fingersnilde. Det er vigtigt, at man selv har prøvet at fremstille et filter og har oplevet, hvor meget det kan drille. Især placeringen af nylonmembranen er vanskelig, da det kræver, at pipettehovederne slutter tæt til glasset. Samtidig skal man sørge for ikke at bruge så meget lim, at man lukker kanalerne. Eleverne kan bruge meget lang tid på denne del af øvelsen og deres tålmodighed sættes på prøve. Til gengæld er de meget stolte, når det lykkes at få filtret til at fungere. På grund af filterets udformning, kanalernes dimensioner og membranens beskaffenhed foregår der en effektiv filtrering af guldpartiklerne. Læs mere i de nedenfor refererede artikler. Sikkerhed 1,6-diaminohexan kan irritere øjne, åndedrætsorganer og huden. Reference http://mrsec.wisc.edu/edetc/nanolab/fluidics/index.html Læs mere: Functional hydrogel structures for autonomous flow control inside microfluidic channels, Beebe, DJ et al., Nature 2000, 404; 588-590. Om fremstilling og brug af hydrogeler i mikrokanaler, hvor de styrer væskeflow igennem kanalerne. Gennem ekspansion og sammentrækning af hydrogelen reguleres gennemstrømningen af væske. Hydrogeler kan designes til at reagere på f.eks. ph, kemikalier eller antigener, hvilket gør dem velegnede til brug i biosensorer og bioanalyser. Surface-Directed Liquid Flow Inside Microchannels, Zhao B, Moore, JS, Beebe, DJ, Science 2001, 291; 1023-1026. Om fremstilling af mikrokanaler ved hjælp af selvsamlende monolag (SAM). Modificering af glasoverflader med SAM bruges til at skabe virtuelle vægge, som holder væsker i samme kanal adskilte. Kan bl.a. bruges i kemo- og biosensorer, bioreaktorer og til bioanalyser. 3

Eksperiment 3: Fremstilling af mikrofluidfilter - Lærervejledning Eksperiment - Fremstilling af den virtuelle væg 1. Begynd med at coate et mikroskopglas med sølv, som beskrevet i E1: Fremstilling af enkeltlag på sølv 1. Brug 12 dråber glukose og 40 dråber aktiv sølvionopløsning. 2. Læg et andet mikroskopglas i en vinkel på 45 ovenpå sølvlaget og skrab noget af sølvcoatingen af med et barberblad (se figur 1 nedenfor). Figur 1 1. Dæk sølvlag med 2. Skrab noget 3. Færdig! nyt mikroskopglas. af sølvlaget af. 3. Påfør nogle dråber hexadecanthiol-opløsning til det trekantede område med sølv. Hele sølvoverfladen skal være dækket. Lad ethanolen fordampe, hvorved der dannes en hydrofob overflade. Coatingen foregår i stinkskab. Efterprøv med vanddråber, om den coatede sølvoverflade er hydrofob. 4. Skyl den ucoatede glasoverflade med demineraliseret vand for at fjerne resterne af hexadecanthiol. Da glasoverfladen er hydrofil og hexadecanlaget på sølv er hydrofobt, opstår der en virtuel væg på overgangen mellem de to overflader. På denne overgang vil vi placere en nylonmembran. 4

Eksperiment 3: Fremstilling af mikrofluidfilter - Lærervejledning Eksperiment - Fremstilling af mikrokanaler 5. Læs hele den nedenstående vejledning, inden du blander de to komponenter til epoxylimen. Sørg for at have alle de ting, du skal bruge, inden du begynder. Overvej hvordan tingene skal limes sammen. Du skal nemlig arbejde hurtigt for at undgå, at limen størkner. Brug små mængder lim. 6. Brug et pipettehoved til en mikropipette, når du senere skal påføre limen på mikroskopglasset. Øv dig kort i at påføre limen, inden du går videre. 7. Skær spidsen af et nyt pipettehoved skråt af. Det må ikke være alt for langt. Skær desuden den anden ende, som skal limes på glaspladen, skråt af. Du kan med fordel gøre dette, inden du blander de to komponenter til epoxylimen. 8. Påfør et tyndt epoxylag på fire små dækglas ved at sætte en lille klat lim i midten af hvert dækglas. Anbring de fire dækglas på mikroskopglasset, som vist på billedet til venstre og på tegningen nedenfor (figur 2). Herved opstår fire kanaler. Undgå at limen løber ud over kanten af dækglasset, når det sættes på mikroskopglasset. Muligvis rager dækglassene ud over mikroskopglassets kant. Figur 2 Kanal Diagonal 1 Brug evt. slutproduktet fra dette eksperiment. 5

Eksperiment 3: Fremstilling af mikrofluidfilter - Lærervejledning Lim et femte dækglas, taget, på midten, der hvor de fire kanaler mødes (se figuren ovenfor). Diagonalen, der løber igennem dette midtpunkt er den såkaldte virtuelle mur, dvs. overgangen mellem den hydrofile og den hydrofobe overflade. 9. Påfør en tynd stribe af lim henover kanalen mellem to dækglas. Smør også lim rundt om den afskårne ende på et af pipette- hovederne. 10. Lim den afskårne ende af pipettehovedet på glaspladen, så den bygger bro over en af kanalerne. Pas på du ikke lukker kanalerne med lim. Sørg for, at pipettehovedet er forseglet med lim på alle de steder, hvor det slutter til hhv. dækglassene og mikroskopglasset. Især enden af kanalen skal lukkes (se figur 3). På den måde kan du lede væske gennem pipettehovedet og ned i kanalen. 11. Lim de øvrige tre pipettehoveder på de øvrige kanaler (se figur 3). Sørg igen for, at enden af hver kanal er forseglet med lim og pas på ikke at lukke kanalerne med lim. Lad limen tørre inden du går videre. Pipettehoved Pipettehoved Pipettehoved Figur 3 Pipettehoved (fortsættes på næste side) 6

Eksperiment 3: Fremstilling af mikrofluidfilter - Lærervejledning Eksperiment - Fremstilling af nylonmembran 11. Nu skal du lave en nylonmembran, der kan filtrere de kolloide guldpartikler fra. Det gør du på følgende måde: Sæt en lille stump klar plastikslange på en plastiksprøjte. Sug lidt 1,6-diaminohexan-opløsning op i slangen. Forbind nu slangen til det ene pipettehoved, som sidder over den hydrofile ucoatede overflade. 12. Pres ganske forsigtigt væsken ned i kanalen så væskefronten ligger ved overgangen mellem den hydrofile og hydrofobe overflade. Den må ikke overskride denne grænse. Sker det alligevel, trækker man bare stemplet lidt tilbage for at justere positionen af væskefronten. Forbind sprøjten til et nyt stykke plastslange og sug lidt af adipoylchlorid-opløsningen op i slangen. Vær opmærksom på, at opløsningsmidlet xylen kan reagere med sprøjten. Forbind slangen til det modstående pipettehoved (se figur 4 nedenfor), som er placeret over den coatede hydrofobe overflade og pres forsigtigt opløsningen ned i kanalen så væskefronten ligger ved overgangen mellem den hydrofile og hydrofobe overflade. Der, hvor de to væsker mødes, danner de en nylonmembran. Membranen viser sig som en lille hvid streg. Lukkes 1,6-diaminohexan Adipoylchlorid Lukkes Figur 4: De to væsker sprøjtes ind gennem modstående pipettehoveder. Væskerne mødes ved den virtuelle væg og danner en nylonmembran (fortsættes på næste side) 7

Eksperiment 3: Fremstilling af mikrofluidfilter - Lærervejledning Eksperiment Test af mikrofluid-filter 13. Luk de to andre pipettehoveder med epoxylim. Test, at væske kan passere membranen ved at sprøjte demineraliseret vand igennem det ene pipettehoved. Herved får du også fjernet rester af adipoylchlorid og 1,6-diaminohexan. Hvis du herefter sprøjter noget af den kolloide guldopløsning fra E2: Syntese af kolloidt guld igennem den ene af de åbne pipettehoveder, vil væsken passere igennem nylonmembranen, som tilbageholder de kolloide guldpartikler: 14. Sug derpå lidt af den kolloide guldopløsning op i et stykke klar plastikslange. Sæt slangen på det ene pipettehoved og pres forsigtigt stemplet ned. Opsaml filtratet, som kommer ud af det andet pipettehoved, i en 5 ml konisk kolbe eller lignende. Du kan med fordel vende opstillingen på hovedet, når du filtrerer. Prøv at filtrere den samme væske flere gange. Sammenlign farven med den ufiltrerede opløsning. Er den filtrerede opløsning lysere? Hvis ja, prøv at forklare hvorfor. Prøv evt. at sende lys fra laserpointeren igennem opløsningen. Sammenlign med den ufiltrerede opløsning. Spørgsmål og opgaver 1. Forklar, hvordan man kan se, om filteret virker. 2. Hvad er den kemiske formel for 1,6-diaminohexan? 3. Hvad er den kemiske formel for adipoylchlorid? 8

Eksperiment 4: Color My Nanoworld - Lærervejledning Color My Nanoworld Formål I dette eksperiment skal du udforske de størrelsesafhængige egenskaber af nanopartikler af guld. Du skal også undersøge effekten af at tilsætte forskellige stoffer til en kolloid guldopløsning. Apparatur og kemikalier 50 ml måleglas Magnetisk omrørerpind Omrøre-/varmeplade Destilleret vand Bordsalt (NaCl) Sukker (sukrose) 4 reagensglas eller gennemsigtige plastikglas 2 små beholdere Plastdråbepipetter Vægt Teori Fysiske og kemiske egenskaber er afhængige af størrelsen af et givent materiale. Farven på en opløsning af guld-nanopartikler afhænger af nanopartiklernes størrelse og form. Når størrelsen af en guldpartikel svarer til bølgelængden af synligt lys (400-750 nm), vekselvirker partiklen med lyset på flere interessante måder. Overvej denne sammenligning: Hvis du slår med en ske på en glasflaske halvt fyldt med vand, kommer der en lyd. Hvis du ændrer på mængden af vand i flasken, ændrer du også på lydens tone. Tonen afhænger nemlig af volumenet af vandet. På samme måde afgør volumenet og formen af en nanopartikel, hvordan den vekselvirker med lys, og dermed også farven på nanopartikelopløsningen. For eksempel, mens et stort stykke guld i et smykke, fremstår gult, så kan en opløsning af guldpartikler i nanostørrelse have mange forskellige farver, alt efter størrelsen af nanopartiklerne. Størrelsen af guldpartiklerne kan varieres ved tilsætning af en elektrolyt (f.eks. NaCl). I en kolloid opløsning forhindres guldpartiklerne i at bundfælde, fordi de ens ladede partikler frastø- 1

Eksperiment 4: Color My Nanoworld - Lærervejledning der hinanden og derved forbliver i opløsning (læs teoriafsnittet i eksperiment 2: Syntese af kolloidt guld). Tilsættes en elektrolyt med modsat ladning, vil den afskærme guldpartiklernes ladning og lade dem komme tættere på hinanden. Herved dannes større og større klumper af guldpartikler (aggregater), som til sidst fælder ud (fig. 1). Figur 1 Ved at forstå nanopartiklernes størrelsesafhængige egenskaber og ved at lære at bruge dem, kan forskere og ingeniører udvikle nye typer nanosensorer til diagnosticering af sygdomme og til at spore forurening i naturen. Det er disse størrelsesafhængige egenskaber, du skal undersøge i det følgende eksperiment. 2

Eksperiment 4: Color My Nanoworld - Lærervejledning Til læreren Anvendte opløsninger 1,0 mm Hydrogentetrachloroaurat-opl.: Opløs 0,1 g HAuCl 4 i 500 ml dest. H 2 O 38,8 mm Trinatriumcitrat-opl.: Opløs 0,5 g Na 3 C 6 H 5 O 7 i 50 ml dest. H 2 O Kommentarer til kemikalier Der er i vejledningen lagt op til, at eleverne selv fremstiller deres opløsninger, men ellers følges ovennævnte opskrift. Reference Kinetics and Thermodynamics of Au Colloid Monolayer Self-Assembly. Undergraduate Experiments in Surface and Nanomaterials Chemistry, Keating, CD et al, Journal of Chemical Education 1999, vol. 76(7); 949-999. http://jchemed.chem.wisc.edu/journal/issues/2004/apr/abs544a.html 3

Eksperiment 4: Color My Nanoworld - Lærervejledning Eksperiment Fremstilling af guld-nanopartikler 1. Fremstil guld-nanopartiklerne, som beskrevet i eksperiment 2: Syntese af kolloidt guld 1. Sørg for at opløsningen er helt afkølet inden du fortsætter til næste del af eksperimentet. Eksperiment Nanopartikler som sensorer 2. Inden du går i gang, skal du beregne de stofmængder, du skal bruge til at lave: 10 ml 1M NaCl-opløsning 10 ml 1M sukroseopløsning Figur 2: Sukrose (C 12 H 22 O 11 ) Beregn mængden af NaCl og sukrose (se figur 2), som du skal afveje. 3. I en lille beholder opløses den ovenfor beregnede mængde NaCl i 10 ml. destilleret H 2 O. 4. I en lille beholder opløses den ovenfor beregnede mængde sukrose i 10 ml. destilleret H 2 O. 5. I hvert af de 4 reagensglas eller gennemsigtige plastikglas tilsættes 3 ml af guld- opløsningen, som du forberedte i del 1. Tilsæt desuden 3 ml destilleret H 2 O til hvert glas. 6. Tilsæt dråbevis 5-10 dråber NaCl-opløsning til et af glassene (glas 1). Nedskriv dine observationer (sammenlign med en af de oprindelige guldopløsninger). Hvad sker der med guldnanopartiklerne i opløsningen? 1 Brug evt. slutproduktet fra dette eksperiment. 4

Eksperiment 4: Color My Nanoworld - Lærervejledning 7. Tilsæt dråbevis 5-10 dråber sukroseopløsning til et af glassene (glas 2). Nedskriv dine observationer (sammenlign med en af de oprindelige guldopløsninger). Hvad sker der med guldnanopartiklerne i opløsningen? 8. Vælg et nyt stof at tilsætte i tredje reagensglas (glas 3). F.eks. kan du bruge eddike eller en anden væske fra husholdningen. Få godkendt dit valg hos din lærer. Inden du tilsætter stoffet, så prøv at forudsige om det vil ændre farven på guldopløsningen (og i hvilken retning vil farven evt. skifte?). Spørgsmål og opgaver 1. Citrationerne dækker overfladen på hver enkelt guldnanopartikel (figur 3). Forklar hvorfor det forhindrer nanopartiklerne i at klistre sammen (aggregere) i den oprindelige guldopløsning. Citrationer 2. Hvorfor påvirker salt og sukker farven på guldopløsningen Guldpartikler forskelligt? 3. Hvordan kan effekten fra eksperimentet bruges til at spore f.eks. DNA-molekyler eller antistoffer? Forklar hvordan disse biomolekyler kan få guld-nanopartiklerne til at aggregere. Figur 3: Udsnit af en overflade af guld-nanopartikler. Hver nanopartikel består af mere end 500.000 guldatomer. Citrationer dækker nanopartikel-overfladen. 5

Eksperiment 5: Syntese af nylon - Lærervejledning Syntese af nylon Formål I dette eksperiment skal du fremstille nylon ved hjælp af Nylontricket. Apparatur og kemikalier 50 ml målebæger 50 ml måleglas Plastdråbepipetter 15 cm kobbertråd eller lang pincet 1 glasspatel, målebæger eller lille tromle til at vikle tråd om. 1,6-diaminohexan i vand Adipoylchlorid i xylen Teori I dette eksperiment skal du fremstille nylon 6,6. Før du begynder, skal du læse artiklen Nylon, der handler om fremstilling polymerer, herunder nylon, og om nylonfibres specielle egenskaber. Nylon 6,6 fremstilles ud fra adipoylchlorid opløst i et organisk opløsningsmiddel (xylen) og 1,6- diaminohexan opløst i vand. På overgangen mellem de to ikke-blandbare væsker, sker der en kondensationsreaktion mellem adipoylchlorid og 1,6-diaminohexan. Denne reaktion kan lade sig gøre, fordi diaminen er opløselig i både den vandige og den organiske fase, mens adipoylchlorid kun er opløselig i den organiske fase. I det øjeblik diaminen diffunderer fra den vandige til den organiske fase, sker kondensationsreaktionen og der dannes en film af nylon på grænsefladen. Når hele fladen er dækket af nylonfilmen, stopper reaktionen. Heldigvis er nylon 6,6-filmen så stærk, at du kan fange nylonen med en krog og trække det ud af opløsningen efterhånden, som det dannes. På den måde kan nye monomere fra de to væskefaser komme i kontakt med hinanden og polymerisationsreaktionen fortsætter. Med lidt snilde og fingerfærdighed kan du at trække en lang nylontråd ud af opløsningen og rulle den op på en flaske eller tromle. Det er det såkaldte Nylontrick. Se Nylontricket her 1

Eksperiment 5: Syntese af nylon - Lærervejledning Til læreren Anvendte kemikalier 1,6-diaminohexan 5% opl. (w/v): Smelt 3 g 1,6-diaminohexan og opløs det i 50 ml H 2 O. Adipoylchlorid 5% opl.: Opløs 1,85 ml adipoylchlorid i 50 ml xylen 20% NaOH (aq) Kommentar I denne vejledning fremstiller eleverne selv de anvendte opløsninger, men alternativt kan læreren fremstille dem på forhånd og blot lade eleverne udføre selve kondensationsreaktionen. Bemærk at adipoylchlorid skal anvendes samme dag, som den fremstilles. Til denne øvelses bør de studerende arbejde to og to for lettest at kunne udføre Nylontricket. Sikkerhed 1,6-diaminohexan kan irritere øjne, åndedrætsorganer og huden. Brug af handsker anbefales. Referencer 1. Multi-Step Synthesis Project: Nylon af Jennifer Muzyka. Hentet fra: http://web.centre.edu/muzyka/organic/lab/nylon.htm 2. Standard and Greener Approaches to Nylon Synthesis (2005) af Jennifer A. Swift, Dept. of Chemistry, Georgetown University. Artiklen er hentet fra http://www.georgetown.edu/faculty/jas2/nylon.pdf 3. Kemiske demonstrationsforsøg: Nylon (6-10), s. 163-164. Carl Olaf Haagensen og Henrik Parbo. Systime, 1993, 2

Eksperiment 5: Syntese af nylon - Lærervejledning Eksperiment 1. Fremstil en 5% opløsning af 1,6-diaminohexan ved at smelte 3 g 1,6-diaminohexan og opløse det i 50 ml H 2 O. 2. Fremstil en 5% opløsning af adipoylchlorid ved at opløse 1,85 ml adipoylchlorid i 50 ml xylen. 3. Fremstil en 20% opløsning af NaOH (aq) ved at fortynde NaOH i vand. Beregn selv de mængder, du skal bruge ud fra koncentrationen af den NaOH-opløsning, der findes i laboratoriet. Slutvolumenet skal være 10 ml. 4. Hæld 10 ml. 5% 1,6-diaminohexan-opløsning i et 50 ml målebæger. 5. Tilsæt 10 dråber 20% NaOH-opløsning. 6. Tilsæt forsigtigt - 10 ml 5% adipoylchlorid-opløsning til 1,6- diaminohexan-opløsningen ved at lade væsken løbe ned langs indersiden af målebægeret, mens du holder det let på skrå. Der vil øjeblikkeligt blive dannet en nylonfilm på overgangen mellem de to væsker. 7. Med en kobberkrog eller pincet kan du nu forsigtigt trække filmen fri af målebægerets vægge. Derefter tager du fat på midten af filmen igen med krog eller pincet - og trækker den langsomt op af væsken, mens der hele tiden dannes mere nylon. Før tråden omkring en glasspatel, et målebæger eller en lille tromle og rul den op herpå. På den måde kan du trække en nylontråd på flere meter. Pas på du ikke trækker så hurtigt, at nylontråden knækker. Den uvaskede tråd må ikke røres med fingrene! 8. Vask nylonsnoren omhyggeligt i flere omgange i vand og læg den til tørre på køkkenrulle. 9. Brug kobberkrogen eller pincetten til at røre grundigt i den resterende væske, så der dannes mere nylon. Gentag trin 8. 10. Vrid evt. nylontrådene, så du får så meget vand som muligt ud og slut af med at veje dem. 3