PN II – IDEI, Cod CNCSIS 2021, Nr. 474/2009

Proiect de cercetare exploratorie

Universitatea Alexandru Ioan Cuza- Iasi, Facultatea de

Fizica

Echipa proiectului:

prof. univ. dr. Dorina CREANGA (director proiect);

conf. univ. dr. Tufescu Florin;

drd. Nadejde Claudia,

drd: Ursache Manuela,

drd: Focanici Ecaterina

Titlul proiectului:

STUDIEREA MECANISMELOR MOLECULARE SI

CELULARE DECLANSATE PRIN IMPACTUL

CONTAMINARII MAGNETICE SI EXPUNERII

ELECTROMAGNETICE ASUPRA ORGANISMELOR VII

Obiectivele anului 2009:

1. Prepararea particulelor magnetice submicronice pe baza de oxizi

de fier pentru studiul impactului biologic al contaminarii

magnetice

2. Caracterizarea fizica a particulelor magnetice preparate pentru

studiul impactului biologic al contaminarii magnetice

Activitati derulate in cadrul anului

2009• 1.1. Realizarea unui studiu documentar privind conceptul de

contaminare magnetica si impactul biologic al particulelor magneticesubmicronice

• 1.2.Realizarea reactiilor chimice de co-precipitare pentru obtinereaparticulelor magnetice submicronice;

• 1.3. Prepararea suspensiilor coloidale de particule magnetice cu ajutorul unor molecule stabilizatoare uzuale biocompatibile;

• 2.1. Sinteza asupra rapoartelor stiintifice din literatura universalaprivind efectele biologice ale unor suspensii coloidale de particulemagnetice;

• 2.2. Masuratori asupra proprietatilor reologice ale particulelormagnetice submicronice sub forma de pulbere si sub forma de suspensie coloidala

• 2.3. Masuratori asupra dimensiunilor si proprietatilor magnetice ale particulelor submicronice sub forma de pulbere si sub forma de suspensie coloidala;

Rezultate obtinutePreparareaPrepararea pulberilorpulberilor de de oxizioxizi metalicimetalici cu cu proprietatiproprietati magneticemagnetice

sisi stabilizareastabilizarea sub forma de sub forma de suspensiesuspensie coloidalacoloidala

�Particulele submicronice au fost preparate pe baza metodei Massart

de co-precipitare chimica in prezenta unui agent bazic de precipitare.

�Temperatura de minim 80 0C si agitarea mecanica au asigurat

formarea de particule cristaline cu dimensiuni nanometrice.

�Stabilizarea sub forma de suspensie coloidala in apa a fost realizata

prin invelirea ferofazei (Fe3O4) cu oleat de sodiu – agitare mecanica la

temperatura de 80 - 900C - si respectiv rifampicina – agitare mecanica

la temperatura camerei- in timp ce stabilizarea in hidrocarburi

(kerosen) s-a realizat prin utilizarea acidului oleic (agitare mecanica la

temperatura de minim 80 0C ).

�Pentru obtinerea suspensiilor coloidale de magnetita in kerosen s-a

aplicat si metoda “macinarii umede” (cu ajutorul unei mori cu bile).

�In cazul suspensiei coloidale de nanoparticule de magnetita

stabilizata cu rifampicina s-a procedat – alternativ –si la prepararea

ferofazei in mediu acid.

• Difractia radiatiilor X pentru determinarea evidentierea structurii de spinel si determinarea dimensiunii cristalitelor

• Microscopia electronica TEM si SEM pentru determinareadimensiunii fizice a particulelor magnetice

• Difractia neutronilor pentru evaluarea dimensiunilor particulelorsubmicronice in suspensie coloidala

• Microscopia de forta atomica pentru evidentierea 3-D a geometrieiparticulelor si agregatelor de particule

• Spectroscopia FT-IR pentru studierea compozitiei fazei solideinainte si dupa invelirea in molecule organice

• Trasarea curbelor de magnetizatie pentru evidentierea proprietatilormagnetice

• Studierea proprietatilor reologice prin masuratori directe (coeficientide viscozitate-masuratori bazate pe fenomenul de capilaritate, tensiune superficiala – masuratori picnometrice, densitate-metodagravimetrica si fractie volumica a ferofazei) si indirecte(determinarea dimensiunii fractale la conturului obtinut pentrupicaturi de suspensie coloidala imersate in mediu lichid)

•Metodele fizice aplicate pentru caracterizarea fizica a particulelor magnetice stabilizate sub forma de suspensiicoloidale :

Analiza prin difractia neutronilor pentru suspensiile coloidale de

magnetita in kerosen preparate prin co-precipitare chimica si

respectiv prin “macinare umeda”

0.01 0.10.01

0.1

1

10

100

1000

I(q

),

cm

-1

q, A-1

Do σ

co-precipitation 11.0 nm 0.29

wet milling 8.3 nm 0.33

0 5 10 15 20 25 30

0.0

0.1

0.2

D(r

)

diameter, nm

co-precipitation

wet milling

Size distribution

Colaborare cu Research Institute for Solid State Physics and Optics,

Budapast, Hungary si Laboratory for Neutron Scattering, PSI and ETH

Zürich, CH-5232 Villigen, Switzerland

Analiza prin difractia radiatiilor X pentru suspensiile coloidale de

magnetita in kerosen preparate prin co-precipitare chimica si

respectiv prin “macinare umeda”

Coeficientul de viscozitate cinematica si

tensiunea superficiala la suspensii

coloidale de Fe3O4 stabilizata cu oleat de

sodiu (in apa) si respectiv acid oleic (in

hidrocarburi)

Coeficientul de viscozitate

dinamica si tensiunea

superficiala la suspensii

coloidale de Fe3O4 (precipitata

in mediu acid) stabilizata cu

rifampicin (in apa)

Observarea indirecta a proprietatilor reologice a suspensiilor coloidale de

magnetita stabilizata in mediu apos – prin urmarirea dinamicii dimensiunii

fractale calculate pentru imaginii ale unor picaturi de suspensie coloidla de

magnetita introduse in celula HeleShaw continand medii apoase cu diferite

vascozitati

Difuzia radiala a picaturilor de suspensie de particule magnetice (MO) in

mediu viscos: 0,8 g gelatina in 100 ml apa (coeficient de viscozitate de 1,01

N/m)- corespunzator momentelor de timp de 2 s, 3s, 5s

Variatia dimensiunii

fractale si a masurii

fractale in

timp (dreapta) pentru

proba CoO

Curbe de magnetizatie la magnetita stabilizata cu acid oleic (dreapta) si cu

rifampicina (stanga)

Colaborare cu Institutul de Fizica

Tehnica Iasi

In cadrul primului obiectiv al proiectului, in partea experimentala s-a realizat:

� prepararea a cinci probe de particule nanometrice de magnetitasi a unei probe de ferita de cobalt:

� s-au aplicat doua tehnici principale: metoda co-precipitarii din solutiiale sarurilor ferice si feroase (respectiv de cobalt) si metoda “macinariiumede” a ferofazei micronice de provenienta industriala;

� metoda co-preciptarii chimice s-a aplicat in varianta clasica(precipitare in mediu bazic) precum si in varianta modificata (precipitare in mediu acid).

� deasemenea s-a realizat formarea de suspensii coloidale a probelorde particule magnetice prin

stabilizarea:

� in mediu apos:

� prin invelirea in oleat de sodiu (probele MO si CoO)

� prin invelirea in rifampicina (probele MB si MA) – o molecula de tip antibiotic cu proprietatea de a interactiona cu pina la patru atomi de fier

Concluzii

� in hidrocarburi: prin invelirea in acid oleic in cadrul metodei:

� co-precipitarii chimice (proba MP)

� si respectiv prin aplicarea metodei ‘macinarii umede” (proba MM).

In cadrul celui de-al doilea obiectiv al proiectului, in partea experimentala

s-a realizat:

� caracterizarea proprietatilor reologice ale probelor obtinute ca mai

sus

� determinarile prin metoda capilara au relevat viscozitati

cinematice de 2,1 -2,5 m2/s la probe in mediu apos pentru care fractia

volumica de ferofaza este de 1,9-2, 2 precum si valori de peste 4 m2/s

la probe in hidrocarburi cand fractia volumica a fost de 2,3 -2,4 iar

stabilizantul a fost rifampicina;

� determinarea coeficientului de tensiune superficiala prin metoda

stalagmometrica a aratat caracterul tensioactiv al oleatului de sodiu

(reducerea de la 0,73 N/m in cazul apei la 0,45 N/m in cazul probelor

MO si CoO) dar nu si pentru rifampicina unde valorile obtinute sunt de

circa 0,9 N/m dar nici in cazul acidului oleic (valori de pina la 0,47 N/m

fata de kerosen – cu 0,25 N/m);

� studiul interactiunilor de tip “finger instabilities” la difuzia

suspensiilor de particule magnetice in medii gelatinoase cu ajutorul

celulei Hele Shaw a condus la dimensiuni fractale in crestere pe

durate de pina la cinci secunde de la injectare

� caracterizarea microstructurala si magnetica a probelor

preparate in cadrul primului obiectiv a evidentiat

� diametrul cristalitelor de magnetita si ferita de cobalt determinate

din masuratorile XRD variaza intre 7,0 si 13, 5 nm

� diametrul fizic determinat prin masuratori TEM variaza intre 9,7 si

15,6 nm

� diametrul magnetic determinat (VSM) din curbele de magnetizatie

este intre 9,4 si 15, 5 nm 18

� diametrul estimat prin SANS pe baza difractiei neutronilor este

de 8,3 si 11,0 nm

toate aceste domenii de valori ale nanoparticulelor coloidale– destul de

apropiate de altfel – fiind concordante cu datele din literatura si

demonstrind posibilitatea prepararii de suspensii magnetice

stabile adecvate pentru studierea experimentala a interactiunii lor

cu tesuturile biologice in etapele urmatoare ale proiectului.

Articole si comunicari stiintifice

realizate pe baza rezultatelor

proiectului• 1. Axinte, C., Nadejde, C., Ursache, M., Airinei, A., Cirlescu, A.,Creanga, D.,

Racuciu, M., Magnetic submicron powder preparation and characterization, Special issue of Journal Material Science Forum – ISI Proccedings of the 4th

International Conference RoPm July 2009, Craiova (acceptata)

• 2. Nădejde, C., Creangă, D.E., Goiceanu, C., Radiofrequency electromagnetic wave and paramagnetic particle effects on the red blood cells, Rom. J. Phys., 54 (1-2): 105-114, 2009

• 3. Ursache, M., Mandru, G., Creangă, D.E., Tufescu, F.M. , Goiceanu, C., The effects of high frequency electromagnetic waves on the vegetal organisms, Rom. J. Phys., 54 (1-2): 133-145, 2009

• 4. Ursache, M., Axinte, C., Nadejde, C., Focanici, E.,Creanga, D., Tufescu, F.M., Synthesis of ferrite magnetic nanoparticles - an experimental study for students, Annals of Faculty of Physics of Bucharest University(acceptata, 2009)

• 5. Dunca,S., Creanga, D., Tufescu, F. M.,Magnetic contamination impact on iron bacteria culture – a fluorescence study, WASET Proceedings Series,58, 2009,1101-1104

• 6. Ursache, M., Focanici, E. Nanoparticle utilization in biomedical applications, Bull. Inst. Polit. Iasi, tom LV(LIX), fascic. IV:pag. 83-89

• 7. Nadejde, C., Focanici, E., Creanga, D., Cirlescu, A., Ciocan, A., Badescu, V., Caltun, O., Magnetic nanoparticles coated in drug molecules – experimental study focused on rifampicin interactions with iron atoms, ISAP I (Int. Symp. Appl. Phys.,) Galati, nov. 2009, comunicare poster

• 8. Focanici, E., Nica, V., Creanga, D., Caltun, O., CoFe2O4 and ZnFe2O4Ferrite: Synthesis And Characterization, 10th International Balkan Workshop on Applied Physics 2009 (IBWAP 2009), S5, P53

• 9. Focanici, E., Nica, V., Creanga, D., Caltun, O., Synthesis and microstructural investigation of MnxZn 1-xFe 2O4 magnetic fluids, 10th Trends in NanoTechnology International Conference - TNT 2009 (Barcelona, Spania), poster

• 10. Creanga, D., Almasy, L., Pomyakushina, E., Nadejde, C., Ursache, M., Apetrpaei, N., Badescu, V., Experiments regarding the role of magnetic/non-magnetic stirring in the process of ferrophase preparation for stable magnetic fluids,10th Trends in NanoTechnology International Conference - TNT 2009 (Barcelona, Spania), comunicare poster

• 11. Focanici, E., Nica, V., Creanga, D., Caltun, O., Synthesis and microstructural investigation of some magnetic fluids based on ferrites coated with sodium oleate, Fundamental and Applied Research in Physics 2009 (FARPhys) Iasi, comunicare poster

• 12. Ursache, M., Foca-nici, E., Creanga, D., Caltun, O., Magnetic And Rheological Characterization Of Two Magnetic Fluids, 10th International Balkan Workshop on Applied Physics 2009 (IBWAP 2009, Constanta, Romania),comunicare poster