Vad är Forskarhjälpen? Varför Forskarhjälpen? Vad är forskning? Er egen Guldjakt Steg 1 Välja detergenter Steg 2 Laboration Steg 3 Analys Steg 4



Relevanta dokument
Plasmonresonans I metaller så hålls atomerna ihop av

Forskarna Maria Strømme och Johan Forsgren på Ångströmlaboratoriet vid Uppsala universitet behöver hjälp med att hitta nya sorters guldnanopartiklar.

Välkommen till Forskarhjälpen 2012:

atomkärna Atomkärna är en del av en atom, som finns mitt inne i atomen. Det är i atomkärnan som protonerna finns.

Jonisering. Hur fungerar jonisering? Vad är en jon?

KEMI 1 MÄNNISKANS KEMI OCH KEMIN I LIVSMILJÖ

Kvantfysik - introduktion

Facit till 38 No-försök

Atomer, molekyler, grundämnen. och kemiska föreningar. Att separera ämnen. Ämnen kan förändras. Kemins grunder

FACIT TILL FINALEN GRUNDBOK

Produktion. i samarbete med. MAO Design 2013 Jonas Waxlax, Per-Oskar Joenpelto

Kemi. Fysik, läran om krafterna, energi, väderfenomen, hur alstras elektrisk ström mm.

Projekt listan Lasern Laserspektroskopi för atmosfärstudier Laserkylning

2 Materia. 2.1 OH1 Atomer och molekyler Kan du gissa rätt vikt?

NO: KEMI. Årskurs

Med färgglatt pyssel kan man samtidigt ta in naturvetenskapliga begrepp, redan med de yngsta barnen.

Undervisningen i de naturorienterande ämnena ska behandla följande centrala innehåll

Kemiteknologsektionen. Plugghäfte KTKK105. Lite studiehjälp för kursen yt- och materialkemi. Linus Ögren. Del 1 av 2 Yt- och kolloidkemi.

2014:2 RIKSFÖRENINGEN FÖR LÄRARNA I MATEMATIK, NATURVETENSKAP OCH TEKNIK

Baskemi Av Truls Cronberg, Version 01b Utskrifts datum:

Trycket beror på ytan

Temperatur. Värme är rörelse

UMEÅ UNIVERSITET Målsättning Att använda metoder för direkt observation av mikroorganismer.

1. Konsten att organisera ur trenätsperspektivet

Uppsala Universitet Institutionen för fotokemi och molekylärvetenskap EG FH Konjugerade molekyler

ENKEL Kemi 2. Atomer och molekyler. Art nr 515. Atomer. Grundämnen. Atomens historia

Instuderingsfrågor för godkänt i fysik år 9

De 6 vanligaste felen när du lär dig att snorkla

Elevportfölj 11 ÅRSKURS 6. Matens kemi. Elevens svar:

ELLÄRA. Denna power point är gjord för att du ska få en inblick i elektricitet. Vad är spänning, ström? Var kommer det ifrån? Varför lyser lampan?

Månadstema September: Kommunikation Laborationer för 7-9. Se även laborationsförslag för gymnasiet och F-6

PEDAGOGISK PLANERING för ELEKTRICITET och MAGNETISM

Naturorienterande ämnen

LUFT, VATTEN, MARK, SYROR OCH BASER

Akustik. Läran om ljudet

Bruksanvisning. Bestic software version Äthjälpmedel. Internet:

Matens kemi Uppdrag 1 Uppdraget var att man skulle prata med sina föräldrar angående mat förr i tiden och jämföra det med idag. Detta är vad jag kom

VAD ÄR KEMI? Vetenskapen om olika ämnens: Egenskaper Uppbyggnad Reaktioner med varandra KEMINS GRUNDER

Småsaker ska man inte bry sig om, eller vad tycker du? av: Sofie Nilsson 1

LÄRARHANDLEDNING Mecka med ljud

SÄTT DIG NER, 1. KOLLA PLANERINGEN 2. TITTA I DITT SKRIVHÄFTE.

VAD ÄR KEMI? Vetenskapen om olika ämnens: Egenskaper Uppbyggnad Reaktioner med varandra KEMINS GRUNDER

Våtflugefiske. Bottenstrukturen toppen för fisket

Elektricitet studieuppgifter med lösning.

Polarisation laboration Vågor och optik

Uppvärmning, avsvalning och fasövergångar

Grunderna kring helmäskning

NATURVETENSKAP FÖR LIVET?

Pedagogisk planering Kemi: Alkoholer, estrar och organiska syror År 8 Planeringsperiod: v 5v 6, 2013

Fotoelektriska effekten

Bedömningsuppgifter: Skriftligt prov Vatten och Luft Vattentornet (modell och ritning) Scratch (program)

Korrosion laboration 1KB201 Grundläggande Materialkemi

Tvättmaskinen är svår att klara sig utan, det tar tid och kraft - som kan användas till något bättre - att tvätta för hand men här är några tips.

If you think you understand quantum theory, you don t understand quantum theory. Quantum mechanics makes absolutely no sense.

WALLENBERGS FYSIKPRIS 2016

Elevportfölj 4 ÅRSKURS 6. Matens kemi. Elevens svar:

BADA SÄKERT. Sjöräddningssällskapet undsätter. i Göteborg som simmat för långt ut och fått kramp.

Eleven skall kunna framställa bilder och former med hjälp av olika redskap och tekniker,

Hur kan du förklara f vad som menas med NANOTEKNIK?

TENTAMEN I TILLÄMPAD VÅGLÄRA FÖR M

Lite fakta om proteinmodeller, som deltar mycket i den här tentamen

Materia Sammanfattning. Materia

Del ur Lgr 11: kursplan i biologi i grundskolan

Användarguide REN intermittent kateterisering

Potatis, Kött och Desserter

Genetik en sammanfattning

Fysikshow i kursen Fysik för poeter 20 maj 2013 med Carl-Olof Fägerlind cfl@lidingo.se

Årstidernas Kemi VINTER

Kemisk tipsrunda. Så trodde vi innan experimentet. Station 1 X 2 Hypotes 1

Område: Ekologi. Innehåll: Examinationsform: Livets mångfald (sid ) I atomernas värld (sid.32-45) Ekologi (sid )

Eleverna lär sig förstå hur förnyelsebara energikällor fungerar, och deras potential.

Lev utan Stress & Oro

Några material & Ekologi

3: Muntlig redovisning Vid tveksamhet om betygsnivå, kommer du att få ett kompletterande muntligt förhör.

Helmaltsbryggning med minimalt bryggverk

Vattenrening nr 53400

Elevportfölj 2 ÅRSKURS 6. Matens kemi. Elevens svar:

REPETITION AV NÅGRA KEMISKA BEGREPP

LINOLJEFÄRG PÅ TIDIGARE SLAMFÄRGSMÅLAD PANEL alt. KRAFTIGT UTKRITAD LASYR/TÄCKLASYR/CUPRINOL

SMAK- PROV. Utkommer till ht 14

Trädplan. för Kyrkogårdsförvaltningen i Göteborg. del ett

Digitalt lärande och programmering i klassrummet. Introduktionsworkshop - Bygg ett akvarium i Scratch

Dubbelt En elev plockar upp en näve kuber. En annan ska ta upp dubbelt så många.

Krypande kaninen Karin

Introduktion. Innan du börjar så vill vi peka på några generella saker när man använder sig av MCT olja i matlagningen;

10. Kinetisk gasteori

NATURVETENSKAP FÖR LIVET?

LUDVIG, LISA OCH LUFTEN

Nationella prov i åk 6 ur ett skolledarperspektiv

Lärarmanual för Simkampen

Många har fått lära sig att inte ta skit från någon. Annika R Malmberg säger precis tvärtom: Ta skit!

Atomer luktar inte och har ingen färg. Men om många atomer binds samman till molekyler får de andra egenskaper som lukt och färg.

Nivå 2 Lära för att träna 9-10 år

OMGIVNINGSLÄRA. Förlagsaktiebolaget Otava, Helsingfors

LABORATION ENELEKTRONSPEKTRA

Framtidens Energi: Fusion. William Öman, EE1c, El och Energi linjen, Kaplanskolan, Skellefteå

Det är detta bränsle som vi ska prata om idag. Träff 1

Instruktionsbok. progra

Hur man gör en laboration

Blixtrarna hettar upp luften så att den exploderar, det är det som är åskknallen.

Transkript:

2 Vad är Forskarhjälpen? Varför Forskarhjälpen? Vad är forskning? Er egen Guldjakt Steg 1 Välja detergenter Steg 2 Laboration Steg 3 Analys Steg 4 Presentation Steg 5 Konferens Nanoteknologi Nanopartiklar Vad är så speciellt med nanomaterial? Naturliga nanopartiklar Lite guldhistoria Guldnanopartiklar idag Plasmonresonans Partiklar i vätskor (kolloidala system) Tillverkning av guldnanopartiklar Detergenter Förberedelser Surfaktant/Detergent Guldkloridlösning Materiel för laboration Instruktion för tillverkning av guldnanopartiklar Analys av färdiga lösningar Labjournal för Guldjakten 3 3 3 4 4 4 4 4 4 5 5 5 6 6 7 7 9 10 11 13 13 13 13 14 15 16 2

3 Vad är Forskarhjälpen? Målet med Forskarhjälpen är att skolelever själva ska få möjlighet att prova på riktig forskning. Eleverna får en djupare förståelse för vad ett forskningsprojekt kan innebära, och forskarna får samtidigt hjälp med sin forskning. Förhoppningen är att vi tillsammans kan bidra med en liten men betydelsefull pusselbit i ett större forskningsprojekt. Forskarhjälpen leds av Nobelmuseet och är finansierat av Stiftelsen för strategisk forskning. Det första Forskarhjälpsprojektet hette Medicinjakten- i Flemings fotspår och genomfördes 2011och det andra projektet hette Guldjakten och genomfördes 2012. Forskarna på Ångströmlaboratoriet behövde hjälp med att ta fram nya nanopartiklar av guld. I projektet fick eleverna genomföra ett experiment med guldsalt och en detergent för att testa om de kunde få fram nya former och storlekar på partiklar av guld inom nanostorleksområdet. Resultatet blev att Ångströmlaboratoriet fick ett flertal intressanta varianter som de ska forska vidare på och också en del viktiga uppslag för själva framställningen av dessa partklar. I det här häftet finns ett förslag på hur en Guldjakt kan genomföras på din skola samt teori som hör ihop med detta.. Varför Forskarhjälpen? Vi är mitt uppe i en tid av förändring. Förändringarna medför i många fall förbättringar, men det innebär också att vi står inför en rad utmaningar. Forskning är ett redskap. För att vi skall kunna hitta nya lösningar behövs människor som är kreativa, uthålliga och som älskar att lösa problem! Vi behöver dem som vågar tänka tankar ingen tidigare tänkt, går dit ingen tidigare gått, enträget söker vidare där andra har gett upp, och med fast beslutsamhet står fast vid sin övertygelse. Forskarna är vår framtids hjältar! Forskarhjälpen är ett projekt som strävar mot att sammanföra riktig forskning och skolelever på ett sådant sätt att det uppmuntrar eleverna och att de får chansen att bidra till forskning på riktigt! Vad är forskning? För mig är forskning att ge sig ut på en nutida upptäcksresa. In i celler och atomer eller ut bland galaxer och svarta hål. På jakt efter ny kunskap. Med förhoppningen att vara först med att hitta något nytt. Som kan bidra till att hjälpa oss att lösa viktiga problem, stora som små. Forskning hjälper oss till exempel att förstå orsaken bakom olika sjukdomar och kan användas för att utveckla smartare sätt att behandla och bota sjukdomar. Forskning kan också hjälpa oss att få fram nya och miljövänliga material eller bränslen för framtidens fordon. Forskning är jakten på det okända, att systematiskt söka ny kunskap. Utifrån tidigare erfarenheter och kunskaper. Och de resultat som en forskare kommer fram till ska också kunna kontrolleras och upprepas av andra forskare. Katarina Nordqvist, forskningschef Nobelmuseet. 3

4 Er egen Guldjakt Guldjakten sker i 5 steg. Dessa följer i grova drag hur Forskarhjälpens projekt genomfördes under 2012. Steg 1 Välja detergenter Det finns en uppsjö av olika detergenter på marknaden. Alltifrån handtvål till schampo för hundar till biltvättmedel. Grupperna ska sätta sig in i hur dessa fungerar och därefter välja ett som är intressant. Steg 2 Laboration Eleverna ska genomföra ett relativt enkelt experiment med den utvalda detergenten och guldsalt. I processen bildas förhoppningsvis nanopartiklar av guld. Steg 3 Analys Genom att analysera färgen på lösningen med guldpartiklarna får man en uppskattning av partiklarnas storlek och form. Steg 4 Presentation Skapa en kreativ poster - Posterbeskrivning När analysen är klar så är det dags att berätta om allt som gjorts! Detta ska göras i form av en "poster" - en slags affisch. Så går det till i forskarvärlden också. När forskarna har gjort sina experiment, fått sina resultat och dragit sina slutsatser så måste de dela med sig av detta till andra forskare. Detta görs bland annat via artiklar i vetenskapliga tidskrifter och via konferenser. På konferenserna ger forskarna antingen en muntlig presentation av sitt arbete eller så har de gjort en poster som de har med sig till konferensen och sätter upp på en vägg eller en skärm. Vid speciella tillfällen på konferensen är det så kallad "postertid" - då står forskarna vid sina postrar och svarar på frågor om dem. Steg 5 Konferens Ordna ett tillfälle för presentation av postrar och resultat- låt eleverna jämföra och titta på varandras postrar. Detta kan ske i form av en vetenskaplig konferens med utställning. Ha också en föreläsning eller liknande. Kanske kan ni ha en tävling eller bjuda föräldrarna på vernissage? Vill du efteråt dela med dig av dina erfarenheter av Medicinjakten, hör gärna av dig till oss på forskarhjälpen@nobelmuseum.se. 4

5 Nanoteknologi Begreppet nanoteknologi myntades redan 1974 av den japanske forskaren Norio Taniguchi då han vid en konferens använde uttrycket för att beskriva vissa processer som används inom halvledarteknologin. Nanoteknologi, eller atomslöjd som det kallades i början, är en medveten framställning av nanometerstora strukturer och partiklar som tar till vara de fysikalisk-kemiska egenskaper som uppstår hos material på nanometernivå (1 nanometer är 1 miljarddels meter). Kombinationen av nya analysmetoder och metoder för att tillverka material med nanodimensioner har lett till en explosion för nanoteknologin under 2000-talet eftersom det nu går att skräddarsy material som utnyttjar de unika fenomen som erbjuds hos nanomaterial. I början på 1980-talet gjordes en rad tekniska och vetenskapliga genombrott, såsom upptäckten av så kallade fullerener och kolnanorör (Nobelpriset i kemi 1996), som banade väg för ett ökat intresse för nanoteknologin. Fullerener och kolnanorör är i grunden samma sak, nanopartiklar som helt består av kol, där fullerener kan beskrivas som mycket små fotbollar medan kolnanorör är just små rör av kol. Idag har vetenskapliga och tekniska framsteg inom nanoteknologin spridit sig till de flesta naturvetenskapliga discipliner från bioteknik och medicin till informationshantering och materialveteskap. Nanomaterial används idag i en mängd applikationer, såsom elektronisk utrustning, bilar, kosmetik, hygienartiklar, kläder, hushållsprodukter, livsmedel, sportutrustning och leksaker. Nanopartiklar En nanopartikel kan beskrivas som ett mycket litet objekt med en diameter mellan 1 och 100 nanometer. Objekt mindre än 1 nanometer anses inte vara partiklar utan bara enskilda atomer och molekyler som fritt svävar omkring. 1 nanometer är 1 miljarddels meter och motsvarar längden av ca 10 atomer som ligger på rad och sätter man ihop ett antal atomer till objekt som är större än 1 nanometer börjar de bete sig annorlunda än vad de gör som fria atomer, de har bildat ett material! Dessa små partiklar uppför sig ofta väldigt annorlunda än de som vi kan se med ögonen, eftersom de är så små och inte väger så mycket påverkas de t.ex. inte av gravitationen på det sätt som vi är vana vid att saker och ting gör. Elektronerna i dessa små partiklar kan också röra sig också annorlunda än vad de gör i större objekt eftersom antalet elektroner i varje enskild partikel är väldigt få. Detta gör att elektronerna t.ex. inte riskerar att kollidera med varandra och därför kan röra sig friare, eller absorbera och sända ut ljus på ett sätt som elektroner hos större partiklar inte gör. Storleken hos nanopartiklar gör även att de kan tas upp av celler och därmed t.ex. leverera läkemedel. Vad är så speciellt med nanomaterial? Hos nanomaterial är andelen ytatomer betydligt högre än hos material som vi vanligtvis stöter på och dessa ytatomer beter sig annorlunda än atomerna inuti materialet. Omgivningen vid ytan skiljer sig radikalt från omgivningen inuti det studerade materialet. Ytatomer återfinns hos alla material men det är bara hos nanomaterial som deras egenskaper börjar styra över hur materialet beter sig. Andelen atomer som sitter på ytan jämfört med de som befinner sig "inne" i materialet hos nanopartiklar är också mycket större än vad som är fallet för större partiklar, och dessa ytatomer reagerar gärna med sin omgivning vilket gör nanopartiklar intressanta i t.ex. filter, sensorer, katalysatorer eller bärare av molekyler. Ett exempel på detta beskrivs i figur 1 nedan där en sockerbit delas upp i mindre delar. Sidan på den ursprungliga sockerbiten är 1cm vilket gör att ytan hos sockerbiten är 6cm 2. Om denna sockerbit skärs itu till 8 stycken lika stora bitar blir den sammanlagda ytan hos sockerbitarna 12cm 2, även om mängden socker fortfarande är den samma. Om 5

6 man fortsätter att dela sockerbitarna ökar den totala ytarean hos sockret och när sockerbitarna inte är större än några nanometer blir den totala ytarean flera hundra kvadratmeter, dvs flera miljoner gånger större än hos den ursprungliga sockerbiten! Figur 1. Naturliga nanopartiklar I naturen finns många exempel på nanopartiklar och nanostrukturer, till exempel består ytan hos bladen på lotusblomman av nanometertunna hår. Dessa hår står rakt ut från bladen och gör att vatten inte stannar kvar på dem, vilket leder till att bladen alltid hålls rena genom att damm och smuts sköljs bort av det vatten som hamnar på bladen och sedan rullar av. Många nanoforskare får sin inspiration från biologin och letar efter sätt att härma naturens egna nanomaterial för att till exempel skapa nya självrengörande ytor. I stort sett alla processer i alla levande organismers celler sker på nanonivå. Arvsmassans (DNA) dubblering vid celldelning, de processer som tillverkar proteiner efter receptet i DNA i våra celler, samt förvandlingen av den föda vi intar till energi och byggstenar åt vår kropp. Lite guldhistoria Guldnanopartiklar har använts i flera tusen år för att färga glas och keramik rött, men det var inte förrän 1857 som den brittiske vetenskapsmannen Michael Faraday förklarade vad det var som var orsaken till den röda färgen. Tidigare hade man sett att om man tillsatte lite guldklorid under glastillverkningen blev glaset rött, men man var omedveten om att det faktiskt bildas små nanopartiklar av guld i glaset under denna process och att det var dessa partiklar som gav upphov till den röda färgen. Men 1857 kunde Faraday kunde konstatera att så var fallet och att dessa partiklar interagerar med ljus på så sätt att glaset blir rött. Ungefär 50 år senare kunde den tyske fysikern Gustav Mie med hjälp av Maxwell s ekvationer teoretiskt förklara vad som faktiskt händer när ljus interagerar med guldnanopartiklar och varför det guldhaltiga glaset blir just rött och inte får någon annan färg. Om det vore möjligt att se de små guldpartiklarna med blotta ögat så skulle de ha den gula metalliska färgen som vi är vana att guld har, den röda färgen uppkommer då löst bundna elektroner hos partiklarna börja svänga i takt med ljuset och därför absorberar energi från ljuset. Detta fenomen kallas plasmonresonans och förklaras längre ner. Även en svensk forskare vid namn The Svedberg (verksam vid Uppsala universitet) har haft en stor betydelse för förståelsen hur guldnanopartiklar bildas och hur de beter sig i vätskor. Svedberg uppfann också ultracentrigugen och kunde med denna utrustning sortera ut partiklar med olika storlek och form från varandra och därmed öka förståelsen för hur dessa olika guldnanopartiklar interagerar 6

7 med ljus. Svedberg fick nobelpriset i kemi år 1928 för sitt arbete med studier av hur små partiklar och proteiner beter sig i vätskor, samt för sitt utvecklande av ultracentrifugen. Guldnanopartiklar idag Även om guldnanopartikeln upptäcktes redan för mer än 150 år sedan så har intresset aldrig varit större för denna förrän nu. Det beror på att den tekniska utvecklingen på andra håll har gjort att guldnanopartiklar idag går att använda i olika applikationer som sensorer, ljusdioder, informationsöverföring mm. Det vetenskapliga förståelsen för nanopartiklar har också ökat och idag går det att tillverka guldnanopartiklar i en mängd olika former och storlekar. Plasmonresonans I metaller så hålls atomerna ihop av metallbindningar där valenselektroner delas mellan atomerna. Dessa valenselektroner är endast löst bundna till atomkärnorna och kan därför röra sig förhållandevis fritt i materialen vilket är orsaken till att metaller fungerar bra som elektriska ledare i till exempel kablar. Ljus, som är en form av elektromagnetisk strålning, kan därför interagera med dessa rörliga elektroner och få dem att svänga vilket är en anledning till den karaktäristiska glansiga ytan hos metaller. Hos en nanopartikel av metall kan de rörliga valenselektronerna liknas vis ett moln av elektroner som befinner sig delvis vid ytan hos partiklarna. När dessa partiklar belyses med ljus börjar de fria elektronerna att svänga och vid en viss frekvens uppstår det en resonans där elektronerna svänger i takt med ljuset, så kallad plasmonresonans, vilket illustreras i figur 2 nedan. Figur 2. När elektronerna börjar svänga absorberar de energi från ljuset och vid resonansfrekvensen svänger de som allra häftigast och absorberar därför mest energi vid just den frekvensen. Resonansfrekvensen bestäms främst av hur lättrörliga elektronerna är i materialet, det vill säga hur lättpolariserat materialet är, men även av storlek och form hos partiklarna. För guld och silverpartiklar sker denna resonans när partiklarna interagerar med synligt ljus. För att detta fenomen ska uppstå måste partiklarna vara mycket mindre än våglängden hos ljuset, annars kan denna typ av resonans inte uppstå. I figur 3 nedan visas ett absorptionsspektrum för guldnanopartiklar tillverkade med hjälp av diskmedlet YES. Som det framgår ur figuren absorberar partiklarna mycket av 7

8 det gröna och blåa ljuset vilket gör att partiklarna ser ut att vara röda eftersom detta ljus inte absorberas och kan ta sig förbi partiklarna när de belyses med vanligt ljus. Figur 3. Med hjälp av formeln nedan går det sedan att räkna ut hur stora partiklarna är i genomsnitt, vilket i detta fall blir ungefär 36nm. d (nm) = Abs max 515 0,3647 Beroende på partiklarnas form kan de rörliga valenselektronerna svänga på olika sätt och därför ge upphov till skillnader i absorbans vilket illustreras i figur 4 i fallet silvernanopartiklar. 8

9 Figur 4. Partiklar i vätskor (kolloidala system) Partiklar som är mindre än några hundra nanometer i diameter och befinner sig i en vätska behöver inte nödvändigtvis sjunka till botten som vi är vana vid att de annars skulle göra. Om man till exempel lägger en guldklump stor som en sockerbit i vatten sjunker den direkt till botten på grund av gravitationen, men om man placerar ett antal nanopartiklar av guld i vatten så kommer de att simma runt i vattnet utan att sjunka till botten så länge de inte klumpar ihop sig. Anledningen till detta är att nanopartiklarna väger så pass lite att gravitationen blir försumbar och att det därför blir andra krafter som bestämmer hur de ska bete sig. Nanopartiklarna tar upp energi från omgivningen som gör att de vibrerar och rör sig framåt i oregelbundna mönster i vätskan. Detta fenomen kallas Brownsk rörelse efter botanisten Robert Brown som studerade pollen i vatten och såg hur de små partiklarna rörde på sig. Senare arbetade Albert Einstein och Marian Smoluchowski med att teoretiskt förklara denna typ av rörelse och de kunde beskriva varför bara små partiklar rör sig på detta sätt i vätskor och att om partiklarna 9

10 klumpar ihop sig till större enheter (aggregat) börjar gravitationskraften bli så stor på aggregaten så att de till slut sjunker till botten. Genom att hindra partiklarna från att klumpa ihop sig går det därför att få partiklarna att simma omkring i vätskan precis som molekyler. När man har partiklar som simmar omkring i en vätska på detta sätt pratar man om att man har ett kolloidalt system. Ett annat exempel på ett kolloidalt system är mjölk där små fettdroppar simmar omkring i vatten. Anledningen till att fettet inte klumpar ihop sig är de proteiner som finns i mjölken och sätter sig på ytan på fettdropparna vilket hindrar dem från att komma i kontakt med varandra. På samma sätt går det att hindra guldnanopartiklar från att klumpa ihop sig, genom att fästa så kallade surfaktanter på ytan hos partiklarna gör dessa att guldpartiklarna inte kan komma ikontakt med varandra. Ett annat sätt är att se till att partiklarna blir elektriskt laddade så att de repellerar varandra, precis som när man försöker föra samman sydpolerna hos två magneter. Desto mindre partiklarna är, desto mindre påverkas partiklarna av gravitationskraften och det var detta som Svedberg utnyttjade i sin ultracentrifug. Tillverkning av guldnanopartiklar I laborationen löses guldklorid i vatten tillsammans med en reagens (ett diskmedel eller någon annan hushållsprodukt innehållande surfaktanter). När lösningen värms upp reduceras guldet från Au 3+ till Au 0 (guldatomer) genom att ta upp elektroner från ingredienserna i reagensen. De fria guldatomerna stöter sedan på varandra när de simmar omkring i vätskan och binder till varandra vilket gör att små guldpartiklar bildas. Dessa partiklar växer sig sedan större när mer guldatomer kommer i kontakt med ytan hos partiklarna vilket gör att vätskan ändrar färg då guldpartiklarna börjar absorbera ljus på grund av plasmonresonans. Surfaktanter i reagensen binder också till ytan på guldpartiklarna vilket gör att miceler bildas och att partiklarna inte kommer i kontakt med varandra samt att de begränsar hur mycket partiklarna kan växa. Olika surfaktanter kan också binda till olika delar på guldpartiklarna vilket gör att partiklarna kan få olika form eftersom vissa delar hos partiklarna då kan växa snabbare än andra. Figur 5. 10

11 Detergenter Ordet detergent kommer från det latinska ordet detergere som betyder "att rengöra". Ordet detergent är således ett samlingsnamn på produkter som har en förmåga att göra rent. Ordet detergent reserveras dock för rengöringsmedel som inte är av tvåltyp. Tvål är natrium- eller kaliumsalter av långa karboxylsyror. Generellt ser en tvåls strukturformel ut på följande sätt där n ligger mellan 8 och 16: CH 3 -(CH 2 ) n -COO - Na + För att en förening skall fungera som rengörare bör dess molekyl bestå av både en vattenälskande, hydrofil, och vattenskyende/fettälskande, hydrofob del. I t.ex. tvål utgör den långa kolkedjan den vattenskyende delen och det laddade karboxylhuvudet trivs i vatten. Detergentens egenskaper gör att den har en förmåga att emulgera fett och fettliknande ämnen. Man kan säga att föreningen har en förmåga att "lösa fett i vatten" om än så inte riktigt är fallet. Tänk på regeln lika löser lika! Natriumlaurylsulfat (SLS) har ett hydrofilt huvud och en lång hydrofob kolvätesvans, vilket gör föreningen till en surfaktant. SLS används ofta i till exempel tandkräm och schampoo. I en vattenlösning samlas detergenterna på ytan med de hydrofila huvudena nedstuckna i vattnet och de vattenskyende svansarna upp i luften. Föreningarnas samling på vätskeytan leder till att bindningar mellan vattenmolekyler bryts. Därigenom sänks vattnets ytspänning. Molekylerna som lägger sig på ytan och sänker ytspänningen kallas gemensamt för surfaktanter. Således är alla detergenter en typ av surfaktanter. Genom skakning eller skrubbning kan sedan de fettälskande kolkedjorna i detergenterna komma i kontakt med oljig smuts. Kolkedjorna blandar sig med fettet och riktar det vattenälskande huvudet mot vattenfasen. Så sker runt hela fettdroppen vilket leder till att droppen blir negativt laddad runt sin yta till följd av de laddade huvudena på detergentmolekylerna. Man har fått en så kallad micell. En micell i tvärsnitt 11

12 Tack vare de negativa laddningarna repellerar micellerna varandra och förblir lösliga i vatten. Om de inte haft samma laddning hade de kunnat tycka om varandra och bildat en enda stor fettklump, som sedan kunnat fastna på en nyligen rengjord yta. Sammanfattningsvis fungerar alltså detergenter genom att sänka vattnets ytspänning och därigenom göra så att vatten lättare kan blöta det som skall rengöras. Därefter samlar detergenterna fett och smuts i så kallade miceller som håller sig "lösta" i vattnet till följd av deras lika laddningar. Dessa miceller kan därefter sköljas bort från den yta som skall rengöras. Källor: http://school.chem.umu.se/experiment/51 http://sv.wikipedia.org/wiki/surfaktant I experimenet som ska genomföras ska eleverna välja en valfri dteregent/surfaktant för att se hur dessa kan skapa nanopartiklar av guld. Precis som när man använder en surfaktant för rengöring kommer alltså denna bilda miceler kring en liten guldpartikel. Valet av lämpligt rengöringsmedel kan de gör på helt egen hand. 12

13 Förberedelser Innan laborationerna kan börja behövs en del förberedelser. Surfaktant/Detergent Innan eleverna kan göra experimentet ska de alltså ha valt en surfaktant/detergent att prova med. Det går åt väldigt lite 2-5 ml ungefär, så de behöver inte införskaffa några ekonomipaket. Välj till exempel mellan olika diskmedel, biltvättmedel, schampon eller andra varianter. Guldkloridlösning Detta är den andra viktiga ingrediensen och inköpskostnaden kan verka avskräckande hög. Det går dock åt väldigt lite, vilket gör att kostnaden per grupp som genomför laborationen bör stanna på ungefär 25 kronor. Guldkloriden kan förslagsvis köpas från Sigma Aldrich eller WWR. Du ska söka efter Gold(III) chloride trihydrate. 1g HAuCl4 3H2O räcker till att tillreda 50ml av den 1% guldkloridlösningen som behövs för laborationen. Varje laborerande grupp behöver sedan 1ml av denna 1% gulkloridlösning, dvs det går åt 0.01g rent guld per laborerande grupp och det går att genomföra upp till 50 laborationer med 1 gram HAuCl4 3H2O. Recept Lös 1g HAuCl4 3H2O i 50ml avjoniserat vatten (1% guldkloridlösning). Var noggrann med uppmätningen av detta så att det inte går åt onödigt mycket. Materiel för laboration 1ml guldklorid enligt ovan 2-5ml detergent Avjoniserat vatten E- kolv Mätpipett eller mätspruta 3-5 ml Värmeplatta med magnetomrörare och magnetloppa Alt. Värmeplatta, glasstav och mycket energi i armarna. 13

14 Instruktion för tillverkning av guldnanopartiklar 1. Mät upp 200ml vatten i en E-kolv. 2. Tillsätt vald reagent (t.ex 3ml Yes diskmedel) och vispa runt lösningen. Notera mängd tillsatt reagent. Notera färg på lösning. Mät och notera ph hos lösning. 3. Ställ E-kolven på en värmeplatta och stoppa i en magnetloppa. 4. Ställ in rotationen på 400 rpm. 5. Tillsätt 1 ml 1% guldkloridlösning i E-kolven. 6. Slå på värmen på värmeplattan. Notera alla färgförändringar som sker hos vätskan i E-kolven under resten av laborationen. 7. Låt vattnet koka upp och slå sedan av värmen. 8. Låt lösningen svalna till rumstemperatur. 9. Mät och notera ph igen. 10. Dagen efter laborationen noteras återigen eventuella färgförändringar hos vätskan. 14

15 Analys av färdiga lösningar (A) Au-sphere (103nm) (B) Au(64nm) (C) Au-nanorod (82.1nm x 21.6 nm) (D) Au-Ag-nanorod (76.7 nm x 40.0nm) 15 Northwestern University Genom att jämföra med nedanstående diagram kan man få en god uppskattning av nanopartiklarnas form och storlek. Förklaring finns tidigare i texten.

16 Labjournal för Guldjakten Datum för laboration Mängd reagent Val av reagent Färg på vätskan innan uppvärmning ph hos vätskan innan uppvärmning Färgförändringar under uppvärmning Färg på vätska efter uppvärmning 16

17 ph hos vätskan efter uppvärmning (sval) Färg på vätska 1 dag efter laboration Övriga observationer 17