Hydrophobins as effective biosurfactants for aqueous dispersions of carbon nanomaterials

In the pressing need of greener and more sustainable alternatives to replace synthetic surfactants, a valuable strategy is offered by the use of amphiphiles of biological origin. Among them, fungal Hydrophobins already proved to be highly effective dispersing agents for a wide range of hydrophobic materials. These low molecular weight amphiphilic proteins owe their extremely high surface activity and film-forming ability to the presence on their surface of a discrete portion composed of hydrophobic aminoacids, called ‘hydrophobic patch’. This structural feature drives the spontaneous self-assembly of HFBs into strong and elastic films at both air/water and hydrophobic/hydrophilic interfaces, promoting their successful exploitation as novel biosurfactants, coating agents, and surface modifiers. Carbon nanomaterials have gained huge research interest in recent days, due to their availability and cost-effectiveness. They have been studied intensively in various fields, such as biology, medicine, chemistry and mechanics, due to their properties, i.e. good electrical conductivity, high surface area, linear geometry, good mechanical strength, good optical properties and low cytotoxicity. Unfortunately, carbon nanomaterials are highly insoluble in aqueous media, which makes it very difficult for many applications. This thesis aims to demonstrate the possibility to exploit the surfactant properties of a hydrophobin (HFBII) for obtaining stable aqueous dispersions of carbon blacks, both fluorinated and not. Dynamic Light Scattering (DLS), Fourier Transform Infrared spectroscopy (ATR-FTIR), Nuclear Magnetic Resonance (NMR) and Transmission Electron Microscopy (TEM) were used to characterize the resulting samples and to confirm the ability of such protein to form a film around carbon blacks particles and to disperse them in water. Stable aqueous dispersions of these carbon nanomaterials may potentially open a door to a new era of applications in the field of science and engineering, that are more environment-friendly and biocompatible.

Nel bisogno pressante di alternative più ecologiche e più sostenibili per sostituire i tensioattivi sintetici, una strategia preziosa è offerta dall'uso di anfifili di origine biologica. Tra questi, le idrofobine fungine hanno già dimostrato di essere agenti disperdenti altamente efficaci per una vasta gamma di materiali idrofobi. Queste proteine ​​anfifiliche a basso peso molecolare devono la loro altissima attività superficiale e capacità di formazione del film alla presenza sulla loro superficie di una porzione discreta composta da aminoacidi idrofobi, chiamata "cerotto idrofobo". Questa caratteristica strutturale guida l'autoassemblaggio spontaneo di HFB in film resistenti ed elastici sia su interfacce aria / acqua che idrofobiche / idrofile, promuovendo il loro efficace sfruttamento come nuovi biosurfattanti, agenti di rivestimento e modificatori di superficie. I nanomateriali di carbonio hanno acquisito un enorme interesse di ricerca negli ultimi giorni, a causa della loro disponibilità ed economicità. Sono stati studiati intensamente in vari campi, come la biologia, la medicina, la chimica e la meccanica, grazie alle loro proprietà, cioè buona conduttività elettrica, elevata area superficiale, geometria lineare, buona resistenza meccanica, buone proprietà ottiche e bassa citotossicità. Sfortunatamente, i nanomateriali di carbonio sono altamente insolubili nei mezzi acquosi, il che rende molto difficile per molte applicazioni. Questa tesi mira a dimostrare la possibilità di sfruttare le proprietà tensioattive di una idrofobina (HFBII) per ottenere dispersioni acquose stabili di nerofumo, sia fluorurati che non. Scattering dinamico della luce (DLS), spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (ATR-FTIR), risonanza magnetica nucleare (NMR) e microscopia elettronica a trasmissione (TEM) sono stati utilizzati per caratterizzare i campioni risultanti e per confermare la capacità di tale proteina di formare un film intorno particelle di carbonio nero e disperdere in acqua. Dispersioni acquose stabili di questi nanomateriali di carbonio possono potenzialmente aprire una porta a una nuova era di applicazioni nel campo della scienza e dell'ingegneria, che sono più rispettose dell'ambiente e biocompatibili.