Высококонцентрированный раствор частиц магнетита.
Ученые синтезировали стабильные растворы с необычайно высокой концентрацией наночастиц оксида железа — до 1350 граммов на литр. Исследователи разработали новый метод стабилизации таких растворов, который упрощает производство магнитных растворов и позволяет точно регулировать вязкость получаемых золей. Потенциальные применения данных материалов: медицина, экология и другие области. Результаты исследования опубликованы в журнале. Journal of the American Chemical Society.
Стабильные гидрозоли из равномерно распределенных в воде магнитных частиц размером от 1 до 100 нанометров обладают уникальными свойствами, делающими их незаменимыми в разных областях. Например, магнитные наночастицы и растворы актуальны в биомедицине для объединения диагностики заболеваний и их лечения. Такие частицы могут выступать в качестве контрастирующих средств в МРТ, носителями при адресной доставке лекарств и активными агентами при магнитной гипертермии онкозаболеваний. Другой сферой применения коллоидных растворов магнитных наночастиц является создание магнитоуправляемых сорбентов для технологических применений и очистки воды, а также «умных» и метаматериалов. Широкое применение наноматериалов на основе оксидов железа связано с уникальным сочетанием магнитных и оптических свойств, а также большой распространенностью соединений железа на Земле, что делает их недорогими.
Создание наноколлоидов затруднено стабилизацией. Наночастицы склонны слипаться и выпадать в осадок, лишая коллоид своих свойств. Для предотвращения этого используют стабилизаторы — вещества, обволакивающие частицы и препятствующие их сближению. Стабилизированные наноколлоиды проще хранить, транспортировать и применять. Часто применяют полимеры или поверхностно-активные вещества в качестве стабилизаторов. Однако коллоиды с традиционными стабилизаторами имеют недостатки: высокая цена, повышенная вязкость растворов и снижение химической активности поверхности частиц из-за крупномасштабного обволакивания.
Группа ученых из Красноярского научного центра СО РАН разработала способ изготовления наноколлоидов без традиционных стабилизаторов. Результатом стало получение наноколлоидов с высокой концентрацией наночастиц оксида железа. Такой подход открывает новые возможности в биомедицине и экологии.
Специалисты применили цитрат лития вместо традиционных стабилизаторов. Это соединение соли лития и лимонной кислоты – безопасное и простое вещество, стабилизирующее частицы за счет электростатических взаимодействий. Цитрат лития создает отрицательный заряд и препятствует слипанию частиц. В результате исследователи достигли невероятной концентрации наночастиц — до 1350 грамм на литр. Это открывает новые возможности применения наночастиц в сферах контролируемой доставки лекарств, гипертермии, магнитно-резонансной томографии и экологической очистки.
Получив материалы, исследователи изучили свойства полученных коллоидов. Те состоят из суперпарамагнитных наночастиц оксида железа — магнетита — размером около 11 нанометров. Суперпарамагнитность частиц проявляется в том, что они становятся магнитными под действием внешнего магнитного поля, а при его отключения намагниченность исчезает. Можно управлять частицами, просто включая и выключая магнитное поле. Это открывает огромные возможности для точного контроля в медицине и технологиях.
Денис Карпов — младший научный сотрудник Института химии и химической технологии Сибирского отделения Российской академии наук.
Коллоиды, стабилизированные цитратом лития, обладали низкой вязкостью, высокой стабильностью и длительной устойчивостью к осаждению. Исследователи обнаружили, что частицы не являются единичными наночастицами, как считалось ранее, а формируют сложные кластеры. Это не означает, что цитрат лития, используемый в качестве стабилизатора, не выполнил свою функцию. Ученые предположили, что образование и распад кластеров носит динамичный характер, препятствуя слипанию частиц в крупные агрегаты, которые могли бы выпадать в осадок. Полученные данные свидетельствуют о более сложной организации высококонцентрированных коллоидных растворов, предлагая новый взгляд на их структуру.
Наша работа демонстрирует возможности высококонцентрированных водных коллоидов без стабилизаторов в различных технологичных областях.
Представлен надежный метод получения стабильных водных суперпарамагнитных растворов на основе магнетита с концентрацией до 1350 грамм на литр при минимальном количестве цитрата. При высокой концентрации коллоиды сохраняют текучесть, что важно для практического использования. Полученные результаты расширяют понимание структуры высококонцентрированных наноколлоидов и открывают путь их производства и адаптации под конкретные задачи. — отметил один из авторов исследования Денис Карпов, Работник отдела химии и химической технологии Института естественных наук Сибирского отделения Российской академии наук.
В исследовании участвовали специалисты Института катализа имени Г.К. Борескова СО РАН, Сибирского федерального университета и Университета Бар-Илан (Израиль).
Информацию и фотографии предоставил Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук».