Nanofolhas de Nitreto de Boro Dopadas com Bismuto: Desempenho Eletrônico e Óptico Aprimorado da Teoria e Experimento

Resumo

Neste trabalho, nanofolhas de nitreto de boro (BN) foram preparadas através de esfoliação em fase líquida de BN em massa, enquanto várias razões em peso (2,5, 5, 7,5 e 10) de bismuto (Bi) foram incorporadas como dopante usando técnica hidrotérmica. Nossos achados mostram que a investigação óptica revelou espectros de absorção na região do UV próximo. Cálculos de teoria do funcional da densidade indicam que a dopagem com Bi levou a várias modificações nas estruturas eletrônicas da nanofolha de BN, induzindo novos estados de lacuna localizados ao redor do nível de Fermi. Verificou-se que a energia da banda proibida diminui com o aumento das concentrações de dopante Bi. Portanto, na análise dos espectros de absorção calculados, observou-se um deslocamento para o vermelho (redshift) nas bordas de absorção, consistente com a observação experimental. Além disso, nanofolhas de BN puras e dopadas com Bi foram avaliadas quanto ao seu potencial catalítico e antibacteriano. A atividade catalítica de nanofolhas de BN puras e dopadas foi avaliada pela performance no processo de redução/degradação de corante. A atividade bactericida de nanofolhas de BN dopadas com Bi resultou em eficiência aprimorada medida em 0–33,8% e 43,4–60% contra S. aureus e 0–38,8% e 50,5–85,8% contra E. coli, respectivamente. Além disso, previsões de ancoragem molecular in silico estiveram em bom acordo com a atividade bactericida in vitro. Nanofolhas de BN dopadas com Bi mostraram boa pontuação de ligação contra DHFR de E. coli (−11,971 kcal/mol) e S. aureus (−8,526 kcal/mol), enquanto a pontuação de ligação para girase de DNA de E. coli (−6,782 kcal/mol) e S. aureus (−7,819 kcal/mol) sugeriu estas enzimas selecionadas como possíveis alvos.

Introdução

Vários químicos, compostos orgânicos e resíduos industriais dão origem à poluição ambiental, resultando em sérias consequências para a vida humana, animal e aquática. Devido a isso, tecnologias inovadoras e ambientalmente amigáveis de tratamento de águas residuais estão em crescente demanda. Milhões de pessoas perdem a vida anualmente devido à água contaminada. Quase anualmente, a utilização de corantes é ~10.000 em setores industriais; entre eles, uma fonte proeminente é o azul de metileno (MB) usado 10–15% na atmosfera e vida aquática. O MB é um corante anilínico simples com fórmula molecular C₁₆H₁₈N₃SCl, amplamente usado para tingir algodão, lã e seda, bem como no tratamento de metaemoglobinemia e envenenamento por cianeto. É usado por biólogos para colorir amostras de tecido e detectar ácidos nucleicos. Independentemente disso, este corante tem vários efeitos negativos tanto em humanos quanto na vida selvagem. Como resultado, a remoção de corantes do esgoto é importante para o bem-estar de humanos e vida aquática.

Métodos convencionais para eliminação de vários contaminantes da água incluem precipitação, eletrólise, floculação, fotocatálise, filtração por membrana, troca iônica, adsorção, osmose reversa e tratamento biológico. Nestes métodos, a atividade catalítica (CA) é amplamente usada devido à sua abordagem econômica e ambientalmente sustentável. A CA compreende agente redutor e nanocatalisador, que é a amostra preparada para degradar corante sintético como MB, que é parte do presente estudo.

As crescentes exigências para purificar águas residuais levaram ao desenvolvimento e uso de uma nova classe de nanomateriais conhecidos como materiais bidimensionais (2D-Mats). A utilização desses materiais foi impulsionada pela descoberta do grafeno. Atualmente, uma variedade de 2D-Mats foi sintetizada, incluindo dissulfeto de molibdênio (MoS₂) e MXene (2D-Mats de Dirac). O nitreto de boro é considerado uma classe promissora de MXene. Nanofolhas de BN possuem várias propriedades interessantes, incluindo desempenho dielétrico, estabilidade química e térmica, ultravioleta profundo e energia de banda proibida direta, tornando-as adequadas para uso em uma variedade de aplicações, especialmente para tratamento de água e atividades antimicrobianas. Para realizar estas tarefas, estratégias ricas em bismuto ou dopagem com diferentes elementos de metais de transição (ou seja, Bi) são as metodologias mais acessíveis. O Bi tem uma aparência extraordinária comparado a outros, mostrando cor cinza-branco com um tom avermelhado (mancha rosada). O Bi forma compostos químicos em estados de oxidação +3 e +5. Compostos de Bi são usados como nanocatalisador para tratamento de águas residuais e também é um bom agente antimicrobiano quando utilizado como dopante em 2D-Mats como BN, como discutido acima.

Além disso, nanofolhas de BN também podem ser utilizadas no setor biomédico como agente antimicrobiano com o objetivo de proteger contra várias bactérias. A mastite é distinguida por alterações físico-químicas e patobiológicas nos tecidos do parênquima da úbere, contendo efeitos econômicos diretos mundialmente. Humanos estão em alto risco de sofrer doenças zoonóticas como leptospirose, faringite estreptocócica, brucelose e tuberculose devido ao consumo de leite mastítico. Geralmente, agentes etiológicos infecciosos que envolvem bactérias e vírus são categorizados em duas classes. A primeira categoria inclui Staphylococcus aureus (S. aureus), Coliforme, Corynebacterium, Streptococci e Escherichia coli (E. coli). A segunda categoria compreende Corynebacterium bovis e estafilococos coagulase-negativos. Entre estes, o mais proeminente é o Staphylococcus aureus Resistente à Meticilina (MRSA), pois contribui para um grande número de mortes mundialmente. A resistência a antibióticos emergiu em bactérias patogênicas Gram-positivas e Gram-negativas, representando um sério risco à saúde humana. Além disso, doença diarreica causada pela presença de bactérias E. coli na água resulta em 1,3 milhão de mortes de crianças abaixo de cinco anos anualmente. Sendo um agente antibacteriano, o BN protege contra esses patógenos nocivos. Devido à biocompatibilidade do Bi, a síntese e uso do Bi em várias formas, como sais de Bi, NPs e nanomateriais como antimicrobianos, receberam enorme atenção. Infecções causadas por Helicobacter pylori (H. pylori) são atualmente tratadas com uma mistura de sais orgânicos de Bi e antibióticos. O estresse oxidativo criado pela nanoestrutura depende de seu tamanho, concentração e forma; nanoestruturas de pequeno tamanho produzem espécies reativas de oxigênio (ROS) que se ligam mais eficientemente dentro da membrana bacteriana dentro de implantes, resultando em extrusão de conteúdos citoplasmáticos e danificando DNA, proteínas e enzimas bacterianas. Além da produção de ROS, a forte interface catiônica de nanoestruturas com partes de membrana de bactérias carregadas negativamente resulta em atividade bactericida superior em altas concentrações, incentivando o colapso da célula bacteriana.

No presente estudo, nanofolhas de BN foram preparadas com técnica de esfoliação química, enquanto o bismuto (Bi) foi incorporado como dopante usando técnica hidrotérmica. A CA do material sintetizado foi determinada em termos de redução do MB nocivo. Além disso, a atividade antibacteriana foi avaliada contra E. coli e S. aureus. Para identificar possível mecanismo de ação, estudos de ancoragem molecular de nanofolhas de BN dopadas com Bi foram realizados contra a enzima redutase de diidrofolato (DHFR) da via biossintetica do folato, junto com a girase de DNA da via biossintetica de ácido nucleico, pertencentes a ambos E. coli e S. aureus. Cálculos de primeiros princípios de teoria do funcional da densidade foram realizados para calcular a estrutura de estabilidade, propriedades eletrônicas e ópticas de nanofolhas de BN puras e dopadas com Bi.

Métodos

Detalhes Experimentais

Pó de BN em massa (98%), dimetilformamida (DMF) foram adquiridos da Sigma-Aldrich, Alemanha. Pentahidrato de nitrato de bismuto Bi(NO₃)₃·5H₂O (98%) da BDH laboratory supplies Poole, Reino Unido. Todos os reagentes recebidos foram utilizados sem tratamento de purificação.

Para produzir nanofolhas de BN, a esfoliação em fase líquida de BN em massa foi realizada. 200 mg de pó de BN em massa foram dissolvidos em DMF (50 ml) e agitados por 15 min. Subsequentemente, a solução dissolvida foi ultrassonicada por 12 h a 50 °C. Esta suspensão ultrassonicada foi centrifugada a 3500 rpm por 20 min. As nanofolhas coletadas foram dopadas com Bi usando pentahidrato de nitrato de bismuto como fonte de Bi pelo método hidrotérmico. Várias concentrações de dopante Bi (2,5, 5, 7,5 e 10% em peso) foram adicionadas nas nanofolhas de BN separadamente em razões fixas (0,025:1, 0,05:1, 0,075:1 e 0,1:1) em um recipiente de Teflon e transferidas para autoclave por 12 h a 200 °C. Depois disso, o autoclave foi resfriado e o produto obtido foi lavado repetidamente usando agentes de limpeza como etanol e água deionizada para eliminar impurezas, e a solução foi seca a 100 °C em forno a vácuo.

Atividade Catalítica

O potencial catalítico foi avaliado realizando a degradação do corante MB na presença de borohidreto de sódio (NaBH₄), que serve como agente redutor. Primeiramente, uma quantidade apropriada de corante e redutor foi diluída em água deionizada para preparar uma solução aquosa. O experimento catalítico foi realizado utilizando todas as amostras preparadas como nanocatalisador. A degradação do corante foi medida adicionando solução de NaBH₄ (600 μl) a MB (10 ml) em uma célula de quartzo. Vale mencionar que o NaBH₄ é incapaz de degradar o corante, portanto serve apenas como agente redutor. Além disso, cada catalisador (4 mg) foi adicionado separadamente em uma solução precursora para investigar a eficiência catalítica para degradação do corante. A redução do corante foi medida obtendo espectros de absorção na faixa 450–750 nm com um espectrofotômetro UV-vis. Neste sentido, a descoloração do azul de metileno é considerada uma indicação de degradação bem-sucedida do corante.

Atividade Antimicrobiana

A avaliação in vitro do potencial antimicrobiano de nanofolhas de BN dopadas com Bi foi realizada pelo método de difusão em poço, semeando 1,5 × 10⁸ CFU/mL de isolados bacterianos G+ve e –ve em MSA e MA, respectivamente. Várias razões de nanofolhas de BN dopadas com Bi (500 μg/50 μl) e (1000 μg/50 μl) foram inoculadas como dose baixa e alta em poços (6 mm) em placas de MSA e MA. Ciprofloxacino (5 μg/50 μl) e ADI (50 μl) foram rotulados como controles positivo (+ve) e negativo (−ve). A avaliação antibacteriana foi comprovada por medições de zonas de inibição (mm) usando paquímetro após incubação noturna de placas de Petri a 37 °C.

Caracterização dos Materiais

Difratômetro de raios X (XRD) da Bruker (D₂ Phaser, EUA) equipado com Cu-Kα (λ = 0,154 nm) foi usado com ângulo de difração (2θ) variando de 10° a 60° com taxa de varredura de 0,05/min para determinar as características estruturais do material sintetizado. Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) (espectrômetro Perkin Elmer) com precisão de número de onda dentro de ± 0,01 cm⁻¹ foi empregada para delinear impressões digitais IR. Propriedades ópticas foram avaliadas usando GENESYS-10S UV-Vis com taxa de varredura de 5 nm/s e faixa de espectros de absorção de 200–800 nm e estudo de fotoluminescência foi realizado com espectrofluorômetro JASCO FP-8200 com taxa de varredura 10 nm/s. Morfologia de superfície e microestrutura foram estudadas usando microscópio eletrônico de varredura de emissão de campo (FESEM modelo JSM 6460LV) acoplado com espectrômetro de raios X dispersivo em energia (EDS) e microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução JEOL JEM 2100F (HR-TEM).

Detalhes Computacionais

Nosso cálculo de primeiros princípios foi conduzido pela estrutura abrangente do DFT como implementado no software QuantumATK usando abordagem de combinação linear de orbitais atômicos (LCAO). O funcional de troca-correlação foi conduzido por Perdew, Burke, Ernzerhof (PBE) conectado com a aproximação de gradiente generalizada (GGA). O pseudopotencial PseudoDojo de conservação de norma foi empregado para descrever a interação entre elétrons e íons, e os elétrons de valência. A zona de Brillouin foi realizada empregando grade especial de k-pontos de Monkhorst-Pack de 4 × 4 × 1 para relaxamento estrutural e 7 × 7 × 1 para cálculos de propriedades eletrônicas. O cálculo de campo autoconsistente (SCF) foi levado em conta um limite de tolerância de 10⁻⁶ Ha para convergência de energia. A estrutura geométrica e relaxamentos iônicos foram realizados usando o algoritmo de memória limitada Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (LBFGS), incluindo a força em cada átomo menor que 0,05 eV/Å. Devido ao forte efeito relativístico devido à presença do dopante pesado Bi, a contribuição de acoplamento spin-orbital (SOC) foi considerada no cálculo das estruturas eletrônicas.

Resultados e Discussão

Estrutura e Propriedades Eletrônicas

O XRD foi empregado para investigar identificação de fase, cristalinidade e planos cristalográficos de controle e nanofolhas de BN dopadas com Bi. As reflexões de XRD identificadas em valores de 2θ de ~26,9°, 41,3°, 43,46° e 50,2° foram respectivamente indexadas como planos cristalográficos (002), (100), (101) e (102). Planos cristalográficos detectados harmonizaram bem com o espectro padrão (referência JCPDS #00-034-0421). Nitidez e intensidade de pico sugerem formação de camadas finas de BN e empilhamento fraco de NS na direção c preferida. Deslocamento de pico em relação ao ângulo de difração foi detectado nas reflexões de XRD, sugerindo incorporação de dopante. Espaçamento intercamada (valor d) da reflexão característica (d₀₀₂) foi encontrado ~0,34 nm, avaliado pela lei de Bragg (nλ = 2d sen θ) e correlaciona bem com resultados de HR-TEM. Este valor d do plano correspondente é caracterizado por características significativas pertinentes a propriedades de adsorção e transporte molecular de BN que servem para melhorar seu desempenho catalítico. Perfis SAED correspondentes de BN puro representados consistem em anéis circulares brilhantes que indicam alta cristalinidade da amostra. Estes anéis detectados concordam bem com padrões de XRD e dados padrão. A morfologia de superfície do material sintetizado foi explorada usando FESEM e confirmada através de análise HR-TEM. Espaçamento intercamada foi avaliado com software Gatan digital micrograph usando imagens HR-TEM, consistente com resultados de XRD. A pureza do produto preparado foi verificada analisando a composição elementar através de espectroscopia EDS.

FTIR foi empregado para investigar impressões digitais IR de nanofolhas de BN puras e dopadas com Bi. Espectros obtidos exibem dois picos característicos originados de BN em 750 e 1365 cm⁻¹, atribuídos a vibrações de flexão B-N-B e vibração de estiramento B-N. Estes picos centrais estão relacionados ao modo A₂u (fora do plano) e modo E₁u (no plano). Um pico adicional detectado em 1170 cm⁻¹ está associado à vibração de estiramento de oxinitreto de boro (N-B-O). Banda larga em 3433 cm⁻¹ corresponde à vibração de estiramento O-H.

Espectroscopia de fotoluminescência (PL) foi usada para confirmar migração, transferência e recombinação de éxcitons nas amostras. Espectros extraídos foram marcados com comprimento de onda de excitação λex = 390 nm e comprimento de onda de emissão correspondente λem = 420 nm. Espectros de PL de nanofolhas de BN não dopadas e dopadas com Bi exibiram picos assimétricos localizados em ~420 nm em diante. Esses picos assimétricos detectados nos espectros de PL sugerem a existência de espécies luminescentes e/ou multi-fluoróforos. Estudos da literatura sugerem que a presença de espécies como boro-oxigênio é considerada como novos centros de luminescência no sistema BN. Luminescência encontrada em torno de 460 nm representa início de transição eletrônica. Esta transição eletrônica envolve transição individual/mútua entre estados 2p das bandas de BN. A excitação de um elétron (e⁻) da banda de valência para a banda de condução serve para aumentar a intensidade de luminescência e energia de luz de excitação. Esta transição em 460 nm corresponde a pico de energia em ~2,7 eV.

Propriedades ópticas de nanofolhas de BN puras e dopadas com Bi foram apuradas através de espectros de absorção obtidos usando espectroscopia UV-Vis. Aparição de absorção na região do UV próximo foi observada. A absorção máxima para nanofolhas de BN puras foi detectada em torno de 200 nm, conhecida como região do UV próximo, correspondendo à energia de banda proibida de ~5,85 eV. Com a incorporação de Bi, a borda de absorção máxima é movida para comprimento de onda maior, indicando redshift nos espectros ópticos, causando redução da energia de banda proibida. A energia de banda proibida foi estimada usando a equação de Tauc. O gráfico de Tauc mostra que a energia de banda proibida é reduzida até 4,65 eV. Nenhuma absorção adicional em níveis de energia mais baixos ou mais altos foi detectada para amostras puras, 2,5% e 5% dopadas com Bi, sugerindo a existência de defeitos estruturais densos. Enquanto para amostras dopadas com 7,5% e 10% de Bi, absorção muito menor em torno de 330 nm é observada, também verificada e explicada na análise de espectros de absorção óptica simulados. De acordo com a literatura, BN em massa exibe energia de banda proibida de 5,2–5,4 eV, enquanto nanofolhas bi/multicamadas possuem energia de banda proibida de 5,56–5,92 eV. Estas observações sugerem que as nanofolhas de BN preparadas possuem configuração bi/multicamadas.

Estes achados experimentais são suportados por cálculos DFT baseados em primeiros princípios. O modelo de monocamadas de BN não dopadas e dopadas com Bi é construído usando o método de supercélula com condições de contorno periódicas. Uma supercélula 7 × 7 foi usada para monocamadas de BN puras e dopadas com Bi para assegurar interação mínima de Bi com suas imagens vizinhas. Uma camada de vácuo de 15 Å foi usada na direção perpendicular ao plano da monocamada. As concentrações de dopante de 2,04%, 4,08% e 6,1% foram modeladas substituindo um, dois e três átomos de Bi na supercélula de monocamada de BN em sítios de B. Para examinar a estabilidade do dopante Bi com diferentes concentrações, estimamos as energias de ligação. Verificou-se que o valor de Eb para diferentes concentrações de dopante muda fortemente de -4,0 a -7,71 eV.

Para explorar o impacto dos dopantes Bi na mudança das estruturas eletrônicas e comportamento óptico, calculamos as estruturas de bandas eletrônicas e densidade de estados (DOS) incluindo contribuição SOC de monocamada de BN dopada com Bi com diferentes concentrações, bem como monocamada de BN pura para comparação. Pode-se ver que BN pura tem energia de banda proibida direta de magnitude 4,69 eV no ponto K, mais consistente com o valor experimental medido (5,85 eV). Além disso, nosso valor calculado de energia de banda proibida está em excelente concordância com trabalhos teóricos anteriores. Este valor indica que a monocamada de BN é um isolante. Segundo os gráficos de DOS da pura, o máximo da banda de valência é principalmente caracterizado por estados N 2p, enquanto o mínimo da banda de condução é principalmente controlado por estados B 2p desocupados. Ao introduzir um dopante Bi com nível de dopagem de 2,04%, dois novos estados de lacuna localizados são formados ao redor do nível de Fermi, no qual a banda inferior é ocupada enquanto a banda superior é desocupada. Portanto, o máximo da banda de valência foi deslocado para baixo na banda de valência, reduzindo a energia de banda proibida. A aparência de bandas de impureza divide a energia de banda proibida em três regiões de sub-lacuna com larguras 3,39, 1,83 e 0,643 eV. A análise de DOS parcial revela que os estados de lacuna ocupados são principalmente construídos a partir de estados Bi 6s misturados com estados N 2p, enquanto os estados de lacuna desocupados são principalmente devidos a estados Bi 6p com pequena contribuição de estados N 2p. No caso de dois átomos de Bi dopados na monocamada de BN, a estrutura de banda apresenta um deslocamento relativamente maior para baixo da banda de condução. O número de bandas de dopante aumenta, causando redução adicional na energia de banda proibida. O resultado é que a monocamada de BN dopada com Bi exibe características típicas de semicondutor tipo n. Quatro estados de lacuna foram introduzidos ao redor do nível de Fermi. Os dois níveis de dopante de menor energia são ocupados e localizados cerca de 0,57 e 0,21 eV abaixo do nível de Fermi. Os outros dois estados de lacuna são desocupados e situados a 0,40 e 0,80 eV acima do nível de Fermi. Com o aumento da concentração de dopagem de Bi a 6,1%, observa-se que mais estados de impureza foram introduzidos ao redor do nível de Fermi com redução da banda proibida. As bandas de impureza com estados de lacuna de menor energia ocorrem a 0,36 eV, enquanto as bandas de impureza com estados de lacuna de maior energia localizam-se a 0,61 eV acima do nível de Fermi.

Os coeficientes de absorção de monocamadas de BN puras e dopadas com Bi são calculados e plotados. Observa-se um redshift da borda de absorção com o aumento da concentração de dopagem de Bi. Na concentração de dopante Bi de 2,04%, a borda de absorção mostra um redshift de cerca de 10 nm comparado ao da monocamada de BN pura. Este pequeno redshift pode aparecer da leve diminuição da energia de banda proibida e está em concordância razoável com o redshift experimental de 20 nm para dopagem de Bi em nanofolha de BN. Quando a concentração de incorporação de Bi sobe para 4,08% e 6,10%, a borda de absorção principal tem um redshift maior de cerca de 22 nm e 40 nm comparado com o da monocamada de BN não dopada. Isso também resultou do estreitamento da energia de banda proibida, levando a reproduzir a observação experimental. Observa-se que outro pico de absorção muito pequeno em torno de 330 nm apareceu com o aumento da concentração de incorporação de Bi. Ele ainda mais redshift a borda de absorção da monocamada de BN dopada com Bi para um valor de comprimento de onda de 345 nm (ou energia de 3,60 eV), significando o aumento da capacidade catalítica.

Atividade Catalítica

Resultados de experimentos para avaliar o desempenho da atividade catalítica do material sintetizado são representados utilizando espectros UV-Vis dependentes do tempo. Observou-se que a incorporação de redutor em uma solução aquosa de corante foi incapaz de degradá-lo, pois apenas ~7% de redução do corante foi alcançada. Adição de Bi dopado em nanofolhas de BN (nanocatalisador), a porcentagem de degradação é efetivamente aprimorada. Nanofolhas de BN puras exibem 45% de redução do corante em 35 min, enquanto BN dopado com várias concentrações (2,5, 5, 7,5 e 10% em peso) de Bi exibem redução de corante aprimorada com progresso rápido.

Em geral, o catalisador reduz a energia de ativação de uma reação, o que por sua vez acelera sua estabilidade e taxa de reação. O MB é principalmente um corante sintético explorado na água durante vários processos industriais. O MB pode ser reduzido na presença de redutor, porém o processo de redução é relativamente lento na presença apenas de NaBH₄. Nanofolhas de BN puras exibem grande área de superfície específica, causando aumento da taxa de adsorção. Além disso, uma camada de redutor dispersa sobre nanocatalisadores também pode acelerar a adsorção devido à reação redox entre catalisador e MB. A reação de redução por um catalisador ocorre transferindo um elétron da espécie doadora BH₄⁻ (do NaBH₄) para a espécie aceitadora MB facilitado por nanofolhas de BN puras e dopadas com Bi. Isso resultou em reduzir a energia de ativação, servindo para estabilizar e acelerar a taxa da reação. A degradação do corante de várias concentrações dopadas (2,5, 5, 7,5 e 10% em peso) foi 61, 67, 85 e 94% em 24, 17, 11 e 7 min, respectivamente.

O aumento na eficiência da atividade catalítica é devido ao aumento na concentração de Bi. Como a porcentagem de degradação corresponde diretamente à transferência de elétrons do agente redutor para o MB facilitada pelo nanocatalisador. Nanofolhas de BN dopadas com Bi causam aumento da taxa de reação diminuindo sua energia de ativação, que por sua vez facilita a transferência de elétrons mais rapidamente para o MB. Vários fatores que influenciam a atividade catalítica e afetam o desempenho dos catalisadores são discutidos: valor de pH, estabilidade, reutilizabilidade e carga do catalisador. O valor de pH no qual a degradação máxima foi atingida foi 8,4. A estabilidade do catalisador foi investigada mantendo o experimento por pelo menos três dias; nenhum perda de degradação ocorreu em condição de repouso por 72 h. A reutilizabilidade foi sondada reciclando catalisador de 10% em peso até três ciclos, indicando que o catalisador de BN dopado com Bi pode ser utilizado como catalisador reutilizável eficaz. A carga do catalisador antes do experimento e após três reciclagens foi 4 mg e 3,7 mg, considerando 5% de desvio de detecção, indicando que o BN dopado com Bi atua como o catalisador mais estável, reutilizável e mais eficiente para degradação de corante.

Atividade Bactericida

A atividade bactericida in vitro de BN, Bi₂O₃ e nanofolhas de BN dopadas com Bi para bactérias Gram +ve e Gram -ve são mostradas com apresentações gráficas. Os achados indicam ação bactericida superior com sinergismo de nanofolhas de BN dopadas com Bi contra E. coli comparado com S. aureus. BN e Bi₂O₃ em baixas concentrações mostraram eficiência nula contra bactérias G+ve e -ve. Em altas concentrações, BN representou (0,35 mm) e (0,45 mm) de inibição e, similarmente, Bi₂O₃ mostrou (0,55 mm) e (0,75 mm) de zona de inibição contra G+ve e -ve, respectivamente. Zonas de inibição significativas (P < 0,05) foram detalhadas como (0–2,45 mm) e (3,15–4,35 mm) para S. aureus e (0–1,65 mm) e (2,15–3,65 mm) para E. coli em doses baixa e alta, respectivamente. A porcentagem de eficiência aumentou de (0–33,8%) e (43,4–60%) contra S. aureus e (0–38,8%) e (50,5–85,8%) contra E. coli, respectivamente. Ciprofloxacino usado como controle positivo reduziu (7,25 mm) e (4,25 mm) crescimento G+ve e -ve, respectivamente, em comparação com ADI (0 mm). Geralmente, nanofolhas de BN dopadas com 2,5% em peso mostraram eficiência zero contra bactérias Gram +ve e -ve em dose baixa, enquanto outras nanofolhas dopadas representaram atividade antibacteriana significativa (P < 0,05) contra Gram -ve comparado a Gram +ve.

O estresse oxidativo formado pelas nanofolhas depende de seu tamanho, forma e concentração. A atividade antibacteriana com zonas de inibição (mm) aumentou com maior dopagem em peso de Bi no BN devido a mais disponibilidade catiônica. A atividade antibacteriana dependendo de tamanho e concentração exibiu relação inversa ao tamanho de NS dopado. Geração de ROS é considerada um fator perigoso maior para a destruição de microrganismos patogênicos. Nanoestruturas de pequeno tamanho produzem espécies reativas de oxigênio (ROS) que permanecem mais reais dentro da membrana bacteriana dentro de implantes, resultando em extrusão de conteúdos citoplasmáticos e danificando DNA, proteínas e enzimas bacterianas, matando assim as bactérias. Compostos de bismuto são famosos por ação antibacteriana muito eficaz acoplada com baixa toxicidade ambiental. Em segundo lugar, a forte interface catiônica de Bi³⁺ com partes de membrana de célula bacteriana carregadas negativamente resulta em ação antibacteriana aumentada em altas concentrações, levando ao colapso bacteriano.

Enzimas catalisando etapas-chave de várias reações bioquímicas necessárias para a sobrevivência bacteriana representam alvos atrativos para descoberta de antibióticos. Estudos de ancoragem molecular para prever tendência de inibição de nanopartículas contra alvos enzimáticos selecionados são de suma importância para descoberta de novos antibióticos. O mecanismo de inibição enzimática é representado mostrando bloqueio do sítio ativo da enzima que impede o acesso do substrato e interrompe a atividade catalítica do alvo enzimático dado, causando morte bacteriana.

Embora extensa literatura seja relatada sobre potencial biológico de nanomateriais, particularmente atividade bactericida, ainda o mecanismo claro de sua ação não é conhecido. Nanomateriais mostram sua atividade antibacteriana ou através de ruptura de parede celular ou podem alvejar enzimas-chave de várias vias essenciais para a sobrevivência bacteriana. Identificar seu alvo é de importância valorosa e pode contribuir para descoberta de novos antibióticos com novo modo de ação. Aqui, alvos enzimáticos de dois antibióticos bem conhecidos, Rifampicina (síntese de ácido nucleico) e Trimetoprima (via biossintética do folato), foram selecionados para avaliar tendência de ligação, padrão de interação de ligação e mecanismo inibitório de nanofolhas de BN dopadas com Bi por trás de sua atividade antibacteriana.

No caso de DHFR de E. coli, a conformação melhor ancorada mostrou interação de ligação de hidrogênio com Ile14 (2,68 Å) e Ile94 (2,27 Å) junto com interação de contato metálico com Tyr100, tendo pontuação de ligação -11,971 kcal/mol. Similarmente, interação de ligação de hidrogênio com Thr46 (2,19 Å) e contato metálico com Leu20 foi observada no caso de DHFR de S. aureus, com pontuação de ligação -8,526 kcal/mol. Para girase de DNA de E. coli, a melhor pontuação de ligação observada foi -6,782 kcal/mol, tendo interação de ligação de hidrogênio com Asp73 (2,22 Å). No caso de girase de DNA de S. aureus, interações de ligação de hidrogênio foram observadas com Asp81 (2,12 Å e 2,68 Å) junto com interação de contato metálico com Ile175, tendo pontuação de ligação -7,819 kcal/mol.

Conclusão

Nanofolhas de BN foram preparadas com sucesso através de esfoliação em fase líquida de BN em massa, enquanto Bi foi incorporado como dopante via abordagem hidrotérmica. Várias propriedades do material sintetizado foram estudadas usando várias abordagens de caracterização que estão bem harmonizadas com a literatura. Padrões de XRD indicaram a presença de fase hexagonal de BN com deslocamento de pico para ângulo de difração maior, autenticando incorporação bem-sucedida do dopante. Espectros de FTIR afirmam a presença de vibrações de flexão B-N no plano e estiramento B-N-B fora do plano, correspondendo à presença de modos E₁u e A₂u infravermelho ativos de BN. A presença de banda de luminescência foi afirmada através de análise PL, enquanto espectroscopia UV-Vis indica a ocorrência de absorção na região do UV próximo. Exames morfológicos foram estudados via micrografias FESEM e HR-TEM indicaram morfologia em folha com decoração de Bi sobre nanofolhas, significando um procedimento de dopagem eficaz. Espaçamento intercamada estimado através de imagens HR-TEM com auxílio do software Gatan digital micrograph corresponde bem com XRD; enquanto espectros EDS mostraram sinais fortes originados tanto do material puro quanto do dopante. Os resultados de otimização do cálculo de primeiros princípios revelam que Bi pode ser substituído e estável em nanofolhas de BN com diferentes concentrações. Bandas de impureza devidas a átomos de Bi introduzem uma absorção de sub-banda proibida na região de energia de banda proibida eletrônica, o que pode aumentar a atividade catalítica. Investigação de degradação de corante via experimentos de CA resultou em processo eficiente e rápido. Além disso, nanofolhas de BN puras e dopadas servem como nanocatalisador estável, reutilizável e excepcional para tratamento de águas residuais. Adicionalmente, a eficiência antimicrobiana de nanofolhas de BN dopadas contra S. aureus e E. coli isolados diretamente de leite mastítico caprino resultou em valores quantitativos significativos. Previsões in silico contra alvos enzimáticos selecionados, DHFR e girase de DNA de E. coli e S. aureus, estiveram em bom acordo com a atividade bactericida in vitro, abrindo novo horizonte para o uso de nanomateriais dopados como agentes potenciais para procedimentos antimicrobianos e de CA. Cálculos teóricos estão em bom acordo com valores experimentais. Estudo teórico indica que dopagem substitucional de Bi com diferentes concentrações é estável. Além disso, a dopagem com Bi levou a várias modificações nas estruturas eletrônicas de nanofolhas de BN, induzindo novos estados de lacuna localizados ao redor do nível de Fermi. Finalmente, sobre estes resultados, pode-se concluir que nanofolhas de BN dopadas com Bi é um material adequado para utilizar em aplicações industriais de águas residuais e tratamento antimicrobiano.