Struktura i dynamika wody w wybranych układach (ciecze jonowe, dyspersje nanocząstek metali)
Water structure and dynamics in selected systems (ionic liquids, dyspersions of metal nanoparticles)
Typ projektu: naukowo-badawczy
Słowa kluczowe: dynamika wody struktura wody nanocząstki metali
Słowa kluczowe (angielski): water dynamics water structure metal nanoparticles
Członkowie konsorcjum: Projekt nie był realizowany w ramach konsorcjum
Okres realizacji projektu: 25.01.2018 - 24.07.2021
Instytucja finansująca: Narodowe Centrum Nauki
Nazwa programu: Preludium
Kierownik projektu: Paulina Filipczak-Hardzei
Wartość dofinansowania: 158 760,00 PLN
Wartość projektu: 158 760,00 PLN
"1. Cel prowadzonych badań/hipoteza badawcza Woda uważana jest za substancję niezbędną do życia. Pomimo, że jest powszechna na naszej planecie jej anomalne właściwości nadal nie są wyjaśnione w kontekście struktury nadcząsteczkowej i dynamiki tworzącej się w fazie ciekłej sieci wiązań wodorowych. Głównym celem tego projektu jest zdobycie wiedzy na temat korelacji pomiędzy strukturą i dynamiką ciekłej wody w szerszej skali czasu oraz rozmiaru. Hipoteza badawcza zakłada, że podobnie jak w przypadku innych układów (np. kryształy, polimery i inne) właściwości wody w mikroskali przekładają się na właściwości w makroskali (aspekt hierarchiczności struktury). 2. Zastosowana metoda badawcza/metodyka Planowane badania są kontynuacją badań w ramach prac nad rolą wody w różnych układach wodnych prowadzonych od lat w Katedrze Fizyki Molekularnej. Plan projektu zakłada kompleksowe badania struktury i dynamiki ciekłej wody w wybranych układach wodnych w szerokim zakresie skali czasu i rozmiaru z wykorzystaniem spektroskopii wibracyjnej (Raman, IR) i relaksacyjnej (szerokopasmowa spektroskopia dielektryczna). Badania zostały podzielone na trzy główne zadania. Zadanie 1 Struktura i dynamika wody w układach H2O, D2O i H2O/D2O Pierwszy etap projektu obejmuje określenie relacji pomiędzy dynamiką i strukturą lekkiej i ciężkiej wody w stanie ciekłym w szerokim zakresie temperatury (1-90 o C) i częstotliwości (od 1015 Hz - 10-6 Hz). Badane będą również mieszaniny wody lekkiej i ciężkiej o różnym składzie. Zadanie 2 Wpływ wybranych nanocząstek metali na wibracyjne właściwości wody W ramach tego zadania określony zostanie wpływ nanocząstek srebra, złota, niklu oraz rutenu o różnym kształcie oraz rozmiarze na wibracyjne właściwości wody w zakresie temperatur 1-90 o C i częstości od mikro- do gigaherców. Podstawowe pytanie zadane w tym etapie badań brzmi: Czy nanocząstki metali mają charakter strukturotwórczy wobec ciekłej wody? Srebro oraz złoto, jako metale szlachetne, dodatkowo mogą powodować efekt SERSu w wodzie. Zadanie podzielono na 4 etapy: a. synteza wodnych dyspersji nanocząstek: srebra, złota, niklu i rutenu; b. ocena wpływu rozmiaru oraz kształtu nanocząstek metalu na wibracyjne właściwości wody; c. ocena wpływu długości fali lasera użytej przy pomiarach ramanowskich na właściwości wibracyjne wodnych dyspersji nanocząstek metali; d. ocena wpływu temperatury na wibracyjne właściwości wodnych dyspersji nanocząstek metalu. Zadanie 3 Struktura i dynamika wody w mieszaninach z cieczami jonowym na bazie imidazolu Następny etap badań obejmuje scharakteryzowanie struktury i dynamiki wody w mieszaninach z cieczami jonowymi, a także analizę wpływu wody na właściwości wibracyjne i relaksacyjne badanych cieczy jonowych. Jako obiekt badań wybrano ciecze jonowe będące pochodnymi imidazolu. Zadanie podzielono na 3 etapy: a. ocena wpływu budowy chemicznej cieczy jonowej (typ anionu, długość podstawnika przy pierścieniu imidazolowym); b. wpływ stężenia wody w układzie (w możliwie dużym zakresie stężeń); c. wpływ temperatury (zakres temperatur uzależniony będzie od właściwości termicznych wybranych soli jonowych). Na podstawie widm wibracyjnych mieszanin o niskim stężeniu wody określona zostanie jej zdolność do tworzenia klastrów lub struktury ciągłej w tego typu układach. Dokonana zostanie również analiza hydratacji jonów na podstawie zmian pozycji pasm odpowiadających drganiom odpowiednio kationów i anionów cieczy jonowej. 3. Wpływ spodziewanych rezultatów na rozwój nauki Przeprowadzone badania będą miały istotny wpływ na rozwój chemii w kilku aspektach. Poznanie struktury wody i oddziaływań z cieczami jonowymi, pozwoli na bardziej świadome ich projektowanie i modyfikowanie pod kątem określonych właściwości fizyko-chemicznych. Uzyskanie wiedzy na temat struktury i odziaływań wody z nanocząstkami metali pozwoli lepiej zrozumieć aspekty związane ze stabilnością nanoczęstek w układach wodnych. Są to istotne zagadnienie w aspekcie biomedycznym, jak również w kontekście uzdatniania i oczyszczania wody. Ponieważ istnieje potrzeba szybkich i tanich metod kontroli jakości wody, skorelowanie wyników różnych technik badawczych oraz znajomość interakcji wody z innymi substancjami przyczyni się do rozwoju metodyki monitoringu hydrosfery."
"1. Research project objectives/Research hypothesis Water is known as an essential substance for life. Despite of being so abundant, its anomalous properties are still not clarified in the contests of supramolecular structure of hydrogen bond network and its dynamics in liquid phase. Main goal of this project is to gain knowledge about correlations between liquid water structure and dynamics of water molecules in wide time and size scales. The scientific hypothesis assumed, that similar to another systems (e.g. minerals crystals, polymers, etc.) water properties in microscale should influence macroscale behaviours (aspect of structure hierarchy). 2. Research project methodology Planned research is a continuation of works on water role in different water systems conducted in Department of Molecular Physics for many years. Work plan assumes complex research about liquid water structure and dynamics with use of vibrational (Raman, IR) and relaxational (broadband dielectric) spectroscopies. All assumed studies were divided into three tasks. Task 1 Water structure and dynamics in H2O, D2O and H2O/D2O systems Within the task 1 the relationships between the supramolecular structure and dynamics of water and heavy water in wide range of temperature (1-90 o C) and frequency (from 1015 Hz - IR and Raman spectroscopies – through THz range to µHz – dielectric spectroscopy) will be determined. Mixtures of light and heavy water in different concentrations will be also measured. Task 2 Influence of selected metal nanoparticles on vibrational properties of water Analysis of changes of water vibrational properties caused by silver, gold, nickel and ruthenium nanoparticles with different size and shape also under temperature changes will be determined. Fundamental question asked in this task is: Do metal nanoparticles induce structure ordering in liquid water? Silver and gold as noble metals could additionally induce Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) of water. Task will be divided into four stages: a. synthesis of water dispersions of metal nanoparticles: silver, gold, nickel, ruthenium; b. evaluation of influence of size and shape of metal nanoparticles on vibrational properties of water; c. evaluation of influence of excitation wavelength used in Raman spectroscopic measurements on vibrational properties of water dispersions of noble metal nanoparticles; d. evaluation of impact of temperature on vibrational properties of water dispersions of metal nanoparticles. Task 3 Structure and dynamics of water in mixtures with selected imidazolium based ionic liquids Task 3 consists of determination of water structure and dynamics in mixtures with selected ionic liquids and also influence of water on ionic liquids vibrational and relaxation properties will be examined. Selected ionic liquids are imidazolium based ionic liquids. Task will be divided into 3 stages: a. evaluation of impact of the ionic liquid chemical structure (anion type, the side chain length in the imidazolium ring); b. influence of the concentration of water in the system (systems will be analysed in possibly the widest concentration range); c. evaluation of temperature impact (temperature range will be determined by thermal properties of tested ionic liquids – mainly by their melting point). In case of water – ionic liquid mixtures with low concentration of water, water ability to formation of clusters or continuous structures in these systems will be determined. 3. Expected impact of the research project on the development of science Planed research will have significant impact on the chemistry development in several aspects. Cognition of water structure and interactions with ionic liquids improves more conscious design of them and their modification paying special attention to specified physico-chemical properties. Gained knowledge about structure and interactions with metal nanoparticles allows for better understanding aspects related to nanoparticles stability in water systems. These are important issues in biomedical aspect, as well in context of water treatment (environmental aspects). Because there is need of quick and cheap methods of quality water control, correlation of results from different analytical techniques and knowledge about water interactions with different substances will contribute to development of hydrosphere monitoring methods."
Powrót