Jony szansą dla zabytków zawierających celulozę

Cenne przedmioty zbudowane z materiałów drewnopochodnych, takie jak stare książki czy rzeźby, można skuteczniej chronić przed zawilgoceniem bądź gniciem. Tak optymistyczny wniosek płynie z badań nad implantowaniem celulozy jonami metali i gazów szlachetnych, przeprowadzonych w Narodowym Centrum Badań Jądrowych i Szkole Głównej Gospodarstwa Wiejskiego.

Od zarania naszego gatunku drewno należy do najważniejszych materiałów konstrukcyjnych. Powszechnie dostępne w zasiedlanych przez ludzi ekosystemach, z uwagi na swoje wyjątkowe właściwości mechaniczne znalazło szereg zastosowań, w tym w wynalazkach o kluczowym znaczeniu cywilizacyjnym, takich jak statki czy papier. Niestety, mimo wielu zalet drewno ma istotną wadę: ograniczoną trwałość. Celuloza, będąca jego głównym składnikiem, jako materiał higroskopijny ma zdolność wiązania wody, co sprzyja rozwojowi grzybów, także takich, które celulozę rozkładają. W trosce o zwiększenie trwałości cennych wyrobów z drewna i materiałów drewnopochodnych, naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) w Świerku i Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego (SGGW) w Warszawie zainicjowali badania nad możliwością zwiększenia trwałości celulozy za pomocą procesu znanego jako implantacja jonów.

„Zabieg implantacji polega na modyfikowaniu warstwy wierzchniej materiału wiązką jonów określonych pierwiastków. O ostatecznych właściwościach przekształconej powierzchni decyduje szereg czynników, m.in. umiejętny dobór rodzaju jonów oraz czas i sposób ekspozycji przedmiotu na wiązkę”, wyjaśnia dr Marek Barlak z Zakładu Technologii Plazmowych i Jonowych NCBJ. Naukowcy ze Świerka i Warszawy postawili przed sobą dwa cele: zweryfikować, czy implantacja jonami może zmniejszyć skłonność materiałów z celulozą do wchłaniania wody oraz ustalić, czy może ona chronić zmodyfikowaną powierzchnię przed rozwojem szkodliwych grzybów. Do badań użyto celulozy bakteryjnej wyprodukowanej w Instytucie Nauk Drzewnych i Meblarstwa SGGW. Próbki swoim wyglądem przypominały skrawki papieru o rozbudowanej fakturze. Implantację jonami gazów szlachetnych i metali zrealizowano w implantatorze pracującym w NCBJ. Proces przebiegał w komorze próżniowej, gdzie próbki wystawiano na działanie wiązki jonów o średnicy około 6 cm i energii kinetycznej dobranej w taki sposób, aby rozpędzone cząstki mogły się zagłębić w warstwie powierzchniowej materiału na precyzyjnie dobraną głębokość.

W przypadku badań nad hydrofobowością celulozy rolę pocisków odegrały jony gazów szlachetnych, helu i argonu, implantowane osobno w dwóch dawkach. We wszystkich przypadkach zmodyfikowane fragmenty próbki wykazywały wyraźnie mniejszą zwilżalność niż obszary powierzchniowo niezmodyfikowane. Analizy ujawniły, że jony argonu lokowały się stosunkowo płytko, w warstwie leżącej ok. 70 nanometrów pod powierzchnią, podczas gdy hel wnikał na głębokość nawet 600 nm. Zaobserwowane różnice pozwolą w przyszłości lepiej dopasować rodzaj implantacji do właściwości i stanu zabezpieczanego przedmiotu.

Bohaterami drugiego etapu badań były jony metali: miedzi, cynku i srebra. Pierwiastki te wyselekcjonowano z uwagi na ich obecność w związkach stosowanych do ochrony drewna przed grzybami. Podobnie jak wcześniej, implantację każdym metalem zrealizowano w dwóch zróżnicowanych dawkach. Zmodyfikowane próbki przewieziono następnie do SGGW, gdzie zostały umieszczane w obecności grzybów Trichoderma viride i Chaetomium globosum. Wyniki badań okazały się obiecujące wyłącznie dla próbek zmodyfikowanych większą dawką jonów srebra.

„Nasze testy biologiczne wykazały, że jony srebra zaimplantowane na powierzchni celulozy działają biobójczo na jeden z ważniejszych grzybów odpowiedzialnych za rozkład celulozy, mianowicie Trichoderma viride. W naturze te mikroskopijne grzyby można znaleźć na powierzchni rozłożonego drewna, powszechnie występują także w glebie”, mówi dr Izabela Betlej (SGGW), pierwsza autorka artykułu opublikowanego na łamach czasopisma „Coatings”. Godny podkreślenia jest fakt, że zarówno przy zmniejszaniu zwilżalności, jak i zwiększaniu grzyboodporności, przebieg trwającej kilka minut implantacji okazał się nie zagrażać próbkom: temperatura ich powierzchni nigdy nie przekroczyła 50 stopni Celsjusza, wartości bezpiecznej nawet dla materiałów organicznych. Jedyne ograniczenie metody zabezpieczania celulozy zaproponowanej przez naukowców z NCBJ i SGGW ma charakter czysto techniczny i wiąże się z rozmiarami komory próżniowej implantatora, która musi pomieścić cały obiekt poddawany modyfikacji.

Z uwagi na obiecujące wyniki, zainicjowany kierunek badań będzie kontynuowany.

PUBLIKACJE NAUKOWE:

„Effect of Cu, Zn and Ag Ion Implantation on the Surface Modification of Bacterial Cellulose Films”
I. Betlej, M. Barlak, K. Krajewski, B. Andres, Z. Werner, A. Jankowska, S. Zakaria, P. Boruszewski
Coatings 13(2), 254, 2023
DOI: https://doi.org/10.3390/coatings13020254

ILUSTRACJE:

Fot. 1. Dr Marek Barlak przy komorze próżniowej implantatora jonów w Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Świerku. (Źródło: NCBJ)

Fot. 2. Zdjęcia mikroskopowe próbek celulozy, powiększenia ok. 2000x, kolory sztuczne. Górny rząd: próbka wyjściowa oraz próbka implantowana cynkiem poddana działaniu grzybów (widoczne liczne czarne pęknięcia świadczące o rozkładzie celulozy). Dolny rząd, obie próbki poddane działaniu grzybów: po implantacji miedzią (pęknięcia pojedyncze; w prawej części kadru widoczne nitki grzybów) oraz po implantacji srebrem (brak pęknięć). (Źródło: NCBJ/SGGW)