Химики из Санкт-Петербургского университета совместно с учеными из Китая и Пакистана разработали инновационный метод получения микроскопических полых структур с отверстием, напоминающих сосуды — вазоподобных микрокапсул. На основе ранее проведенных экспериментов авторы пришли к заключению, что распыление микрокапель солей металлов на поверхность раствора щелочи представляет собой действенный и незатейливый способ синтеза. Исследование, которое было поддержано грантом РНФ, опубликованы в научном журнале Nanoscale.
Полые микрокапсулы, также известные как микросферы, с оболочками из неорганических, органических и гибридных соединений находят широкое применение в качестве теплоизоляционных и фотонных материалов, а также в системах доставки лекарственных средств. Особое внимание привлекают микрокапсулы с отверстиями в стенках, имеющие структуру, схожую с микровазой. Такое отверстие обеспечивает свободное взаимодействие содержимого с внешней средой, а свет практически без потерь проникает внутрь микровазы, где он рассеивается и поглощается.
Данные объекты способны выступать в роли катализаторов, активируемых светом. Для достижения требуемых оптических характеристик предпочтительно, чтобы все синтезированные микрокапсулы имели идентичный размер. Не менее важным является формирование на поверхности подложки упорядоченных структур. Однако существующие методы синтеза не обеспечивали подобный результат и не позволяли эффективно изменять химический состав стенок объектов, что ограничивало возможности точной настройки их свойств.
Ранее специалисты Санкт-Петербургского государственного университета разработали способ получения микрокапсул, имеющих форму вазы, со стенками, состоящими из оксигидроксидов металлов, таких как церий и марганец. Для этого микрокапли нитратов и сульфатов выбранных металлов распыляли на поверхность раствора щелочи. При погружении этих капель в раствор щелочи на их стенках формируется прочная оболочка из оксигидроксида металла. Однако в верхней части капли этот процесс не происходит, поскольку она не соприкасается с раствором. В конечном итоге это приводит к образованию микрокапсул с отверстиями диаметром от долей до единиц микрометров (что в 10–100 раз меньше толщины волоса).
Новое исследование, проведенное учеными из СПбГУ в сотрудничестве с коллегами из Университета Сучжоу (Китай) и Национального университета наук и технологий (Пакистан), посвящено изучению возможностей и перспектив инновационного метода синтеза. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что данный подход обеспечивает достаточно точное управление процессом создания микрокапсул. Это достигается путем изменения состава, концентрации, кислотности, поверхностного натяжения и вязкости взаимодействующих растворов, а также регулирования их плотности, размера, формы и толщины стенок.
Авторы также установили, что разработанный метод синтеза обладает дополнительным преимуществом: он позволяет создавать не беспорядочные скопления частиц, а упорядоченные структуры на поверхности различных оснований. Это достигается с помощью специальных приемов транспортировки микрокапсул с поверхности раствора на твердый носитель. Значимую роль в этом процессе играет ободок, расположенный вокруг отверстия капсулы и выполняющий функцию основы: на нем фиксируются частицы при размещении на подложке. Другой подход позволяет создать слой из микрокапсул, ориентированных отверстиями строго вверх.
«Разработанный нами метод позволяет создавать разнообразные микрокапсулы с вазоподобной формой и отличающиеся составом оболочек. На текущий момент получены группы микрокапсул, стенки которых состоят из гидратированных оксидов марганца, церия и европия, оксигидроксидов никеля, железа и лантана, а также гидроксидов меди и цинка. Важно отметить, что данный синтез может быть осуществлен с использованием водных растворов легкодоступных солей металлов при комнатной температуре, в атмосфере воздуха и с применением несложного оборудования, — сообщил руководитель проекта, профессор кафедры химии твердого тела СПбГУ Валерий Толстой.
Авторы исследования подчеркивают, что вазоподобные микрокапсулы способны послужить основой для создания новых фототермических катализаторов, используемых в синтезе ценных веществ из углекислого газа. Ученые утверждают, что микрокапсулы, имеющие оболочку из оксида церия и характеризующиеся ярким фотолюминесцентным свечением, будут востребованы при создании оптических материалов и сенсоров. Развитие данной методологии предоставит дополнительные возможности для «химического конструирования» высокоэффективных фотонных и электродных материалов, а также катализаторов.
Информация и фото предоставлены пресс-службой СПбГУ