DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-87353-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39863689
تاريخ النشر: 2025-01-25
المؤلف: Dyari Mustafa Mamand وآخرون
الموضوع الرئيسي: أفلام النانو المركبة لتغليف الطعام
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة تطوير مركبات البوليمر الحيوي باستخدام الكيتوزان (CS) المفعّل بمركبات معدن المنغنيز (Mn) وأصباغ محلول الشاي الأسود، بهدف تعزيز خصائصها البصرية. تكشف النتائج أن دمج مركبات Mn²⁺ يقلل بشكل كبير من فجوة النطاق البصري من 6.24 eV إلى 1.21 eV ويزيد من معامل الانكسار من 1.27 إلى 2.08. تظهر أفلام CS المدعومة كثافة أعلى من حوامل الشحنة والفخاخ مقارنةً بـ CS النقي، كما يتضح من قياسات الثابت الكهربائي البصري. تم استخدام نموذج لورنتز-درود لاستنتاج المعلمات البصرية الرئيسية، بينما تم استخدام نماذج تاوك وASF لتحليل الانتقالات الإلكترونية وبنية النطاق، مما أسفر عن طاقات فجوة النطاق تبلغ 1.77 eV، 1.54 eV، 1.47 eV، و1.37 eV تحت ظروف مختلفة.
تخلص الدراسة إلى أن أصباغ محلول الشاي الأسود تسهل تخليقًا سريعًا وصديقًا للبيئة لمركبات المنغنيز، وهو ما تم تأكيده من خلال تحليل FTIR الذي أشار إلى تشكيل مركب ناجح من خلال تحولات في كثافات المجموعات الوظيفية. تظهر المركبات الناتجة خصائص بصرية محسّنة، بما في ذلك زيادة في الحساسية البصرية الخطية وغير الخطية، وتحسين في سرعات انتشار الضوء. تبرز هذه الأبحاث إمكانيات هذه المركبات البوليمرية الحيوية لتطبيقات في الإلكترونيات الضوئية، مما يمهد الطريق للتقدم المستقبلي في التقنيات المستدامة للفوتونيات، والاستشعار، والإلكترونيات المرنة.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون المواد والطرق المستخدمة لحساب طاقة فجوة النطاق لمركبات الكيتوزان (CS)، وبشكل خاص تلك المدعومة بأسيتات المنغنيز ثنائي الهيدرات. تم تحديد طاقة فجوة النطاق باستخدام مخططات تاوك، التي توضح العلاقة بين معامل الامتصاص وطاقة الفوتون. تتضمن الطريقة رسم $(\alpha hv)^n$ مقابل $hv$، حيث يتغير $n$ بناءً على نوع الانتقال الإلكتروني (مباشر أو غير مباشر). يوفر التقاطع على المحور الأفقي طاقة فجوة النطاق البصرية، $E_g$. تحدد الدراسة قيمًا مختلفة لـ $n$ لمختلف الانتقالات: $n=2$ للانتقالات المسموح بها المباشرة، $n=2/3$ للانتقالات الممنوعة المباشرة، $n=1/2$ للانتقالات المسموح بها غير المباشرة، و$n=1/3$ للانتقالات الممنوعة غير المباشرة.
تشير النتائج إلى أن التخصيب بمركبات المنغنيز يقلل بشكل فعال من طاقة فجوة النطاق لـ CS من حوالي 5 eV إلى حوالي 1.3 eV، مما يعزز خصائصه البصرية. كما يبرز المؤلفون أن دمج الكيتوزان مع مركبات المعادن ومواد أخرى، مثل أنابيب الكربون النانوية، كان استراتيجية ناجحة لتقليل طاقة فجوة النطاق. تظهر النتائج من مخططات تاوك وطرق بديلة لتقدير طاقة فجوة النطاق توافقًا جيدًا، مما يؤكد طبيعة الانتقال المسموح به غير المباشر للنظام عندما يكون $n=1/2$. تؤكد الدراسة على إمكانيات هذه المركبات المدعومة من الكيتوزان لتطبيقات تتطلب مواد ذات خصائص بصرية مصممة خصيصًا.
نقاش
في هذا القسم، يتم مناقشة تحضير وتوصيف مركبات المعادن القائمة على المنغنيز المستمدة من صبغة الشاي الأسود ودمجها في أفلام بوليمر الكيتوزان. شمل استخراج الملون الطبيعي من الشاي الأسود غلي أوراق الشاي في الماء المقطر، تليها الترشيح لإزالة الرواسب غير القابلة للذوبان، مما أسفر عن محلول نقي غني بالبوليفينولات ومضادات الأكسدة. أدى إضافة أسيتات المنغنيز إلى هذا المحلول عند درجات حرارة مرتفعة إلى تشكيل مركب معدني داكن اللون من المنغنيز، والذي تم عزله وتوصيفه لاحقًا.
تم تصنيع أربعة أفلام كيتوزان متميزة باستخدام طريقة صب المحلول، مع دمج كميات متفاوتة من المركب المنغنيزي. تم استخدام تقنيات التوصيف، بما في ذلك التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (FTIR) والتحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية-المرئية (UV-vis)، لتحليل الخصائص الهيكلية والبصرية للأفلام. أشارت نتائج FTIR إلى وجود مجموعات وظيفية في كل من صبغة الشاي الأسود ومركب المنغنيز، مما يؤكد تنسيق أيونات المنغنيز مع روابط الصبغة. كشفت التحليلات الطيفية UV-vis أن دمج المركب المعدني من المنغنيز غير خصائص الكيتوزان البصرية، بما في ذلك انخفاض في النفاذية وتحول في حافة الامتصاص، مما يدل على تقليل طاقة فجوة النطاق. تشير النتائج إلى أن المركب المعدني من المنغنيز لا يعزز فقط الخصائص البصرية لأفلام الكيتوزان، بل يعزز أيضًا التغيرات الهيكلية التي قد تكون مفيدة لتطبيقات في أجهزة الاستشعار والطاقة الشمسية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-87353-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39863689
Publication Date: 2025-01-25
Author(s): Dyari Mustafa Mamand et al.
Primary Topic: Nanocomposite Films for Food Packaging
Overview
This study investigates the development of biopolymer composites using chitosan (CS) functionalized with manganese (Mn) metal complexes and black tea solution dyes, aiming to enhance their optical properties. The findings reveal that the incorporation of Mn²⁺ complexes significantly lowers the optical band gap from 6.24 eV to 1.21 eV and increases the refractive index from 1.27 to 2.08. The doped CS films exhibit a higher density of charge carriers and traps compared to pure CS, as evidenced by measurements of the optical dielectric constant. The Lorentz-Drude model was employed to derive key optical parameters, while the Tauc and ASF models were utilized to analyze electronic transitions and band structure, yielding bandgap energies of 1.77 eV, 1.54 eV, 1.47 eV, and 1.37 eV under various conditions.
The study concludes that black tea solution dyes facilitate a rapid and eco-friendly synthesis of Mn complexes, confirmed by FTIR analysis which indicated successful complex formation through shifts in functional group intensities. The resulting composites demonstrate enhanced optical characteristics, including increased linear and nonlinear optical susceptibilities, and improved light propagation velocities. This research highlights the potential of these biopolymer composites for applications in optoelectronics, paving the way for future advancements in sustainable technologies for photonics, sensing, and flexible electronics.
Methods
In this section, the authors describe the materials and methods used to calculate the bandgap energy of chitosan (CS) composites, specifically those doped with manganese acetate dihydrate. The bandgap energy was determined using Tauc plots, which illustrate the relationship between the absorption coefficient and photon energy. The method involves plotting $(\alpha hv)^n$ against $hv$, where $n$ varies based on the type of electronic transition (direct or indirect). The intercept on the horizontal axis provides the optical bandgap energy, $E_g$. The study identifies different values of $n$ for various transitions: $n=2$ for direct allowed transitions, $n=2/3$ for direct forbidden transitions, $n=1/2$ for indirect allowed transitions, and $n=1/3$ for indirect forbidden transitions.
The findings indicate that doping with manganese complexes effectively reduces the bandgap energy of CS from approximately 5 eV to around 1.3 eV, enhancing its optical properties. The authors also highlight that the incorporation of chitosan with metal complexes and other materials, such as carbon nanotubes, has been a successful strategy for lowering bandgap energy. The results from Tauc plots and alternative methods for estimating bandgap energy show good agreement, confirming the indirect allowed transition nature of the system when $n=1/2$. The study emphasizes the potential of these doped chitosan composites for applications requiring materials with tailored optical properties.
Discussion
In this section, the preparation and characterization of manganese-based metal complexes derived from black tea dye and their incorporation into chitosan polymer films are discussed. The extraction of the natural colorant from black tea involved boiling tea leaves in distilled water, followed by filtration to remove insoluble residues, resulting in a purified solution rich in polyphenols and antioxidants. The addition of manganese acetate to this solution at elevated temperatures led to the formation of a dark green Mn-metal complex, which was subsequently isolated and characterized.
Four distinct chitosan films were fabricated using the solution casting method, incorporating varying amounts of the manganese complex. Characterization techniques, including Fourier-transform infrared (FTIR) and ultraviolet-visible (UV-vis) spectroscopy, were employed to analyze the structural and optical properties of the films. FTIR results indicated the presence of functional groups in both the black tea dye and the Mn-complex, confirming the coordination of manganese ions with the dye’s ligands. UV-vis spectroscopy revealed that the incorporation of the Mn-metal complex altered the optical properties of the chitosan films, including a decrease in transmittance and a shift in the absorption edge, indicative of reduced band gap energy. The findings suggest that the Mn-metal complex not only enhances the optical characteristics of chitosan films but also promotes structural changes that could be beneficial for applications in sensors and photovoltaics.