Химики предложили новый способ стабилизации наночастиц оксида железа

Наука и жизньНаука

Просто добавь воды

Денис Карпов. Фото Анастасии Тамаровской/ФИЦ КНЦ СО РАН (2)

Химики из Красноярского научного центра получили стабильные растворы с невероятно высокой концентрацией наночастиц оксида железа, при этом предложив новый способ их стабилизации. Эта разработка не только упрощает производство магнитных растворов, но и позволяет тонко управлять их вязкостью. В будущем такие материалы могут стать перспективными в медицине, экологии и других областях. Результаты работы опубликованы в журнале Journal of American Chemical Society*.

* Karpov D. V., Vorobyev S. A., Bayukov O. A. еt al. Unraveling the Structcture and Propertities of High-Concentntration Aqueous Iron Oxidide Nanocolloids Free of Steric Stabilizers. JACS, 2025 147 (10), 8467—8477.

Рассказывает Денис Карпов, младший научный сотрудник лаборатории гидрометаллургических процессов Института химии и химической технологии КНЦ СО РАН.

Беседу ведёт Наталия Лескова.

Концентрированный золь (раствор) наночастиц магнетита.

— Денис Вадимович, с чего началась ваша работа в области коллоидной химии?

— Над тематикой высококонцентрированных золей работали ещё до меня в лаборатории гидрометаллургических процессов. Мой коллега и соавтор Сергей Александрович Воробьёв получил золи серебра с концентрациями порядка полутора килограммов на литр. Там тоже высокостабильные золи. А вдохновителем работы по всем плотным золям, не только по серебру, стал наш бывший руководитель Юрий Леонидович Михлин. На тот момент уже были известны стабильные концентрированные золи на основе диоксида кремния, того самого, из которого состоит песок, только в данном случае частицы намного меньше — порядка 50 нанометров. Примерно в то же время, когда Сергей Воробьёв занимался серебром, я в рамках научно-исследовательской работы занимался золями оксида железа, а именно маггемита и магнетита. У меня тогда не получились стабильные концентрированные золи, но опыт работы был — я умел стабильно получать эти наночастицы, умел делать разбавленные золи.

— Золи — это разновидность коллоидных растворов?

— Существуют разные коллоидные системы, их классификация обычно строится на основе того, что и в чём распределено. Есть аэрозоли, состоящие из твёрдых частичек или крайне мелких капелек жидкости, которые равномерно распределены в газообразной фазе. Но нас в данном случае больше интересуют именно золи, представляющие собой те же твёрдые частицы или капельки жидкости, распределённые в жидкости-носителе. Если жидкой фазой выступает вода, то говорят о гидрозолях. В быту с такими золями мы встречаемся относительно редко, чаще сталкиваемся с суспензиями и эмульсиями, которые значительно отличаются. Золи, как правило, образованы значительно более мелкими частицами и гораздо стабильнее во времени — не выпадают в осадок. Яркий пример — золи золота, синтезированные Фарадеем, которые по сей день хранятся в музее Королевского института Великобритании. Фарадей изучал как раз коллоидное золото. Он брал соединение золота, тетрахлороаурат водорода, которое ещё называют «золотой кислотой», и восстанавливал его до металлического золота, используя соединения фосфора.

Разбавленный золь маггемита.

— Для чего он это делал?

— Фарадея в первую очередь интересовали оптические свойства полученных им растворов. В его времена считалось, что красный цвет таких систем обусловлен каким-то соединением собственно золота и двухвалентного олова, соединения которого использовались для получения коллоидного золота ещё до Фарадея. Собственно, он первым и показал на основании сходства оптических свойств тонкой золотой фольги и золей золота, что последние содержат не какое-то соединение золота, а мельчайшие золотые частички. Разумеется, теории, объясняющие, почему такие частички не выпадают в осадок, появились много позже, лишь в начале XX века. Ирония, правда, в том, что, согласно этим теориям, частицы в золях, напротив, должны слипаться и выпадать в осадок, потому что золи термодинамически нестабильны. Но вот кинетически они, как правило, очень устойчивы. Упомянутое коллоидное золото, приготовленное Фарадеем, за 150 лет до сих пор в осадок не выпало.

— Если я правильно понимаю, основное свойство золей — это именно их стабильность?

— Стабильность — первое, на что лично мы с коллегами обращаем внимание. В отличие от многих других характеристик, её легко оценить визуально, прежде чем исследовать полученный раствор с привлечением каких-то сложных физических методов, реализуемых на дорогом научном оборудовании. Часто в статьях даже в рецензируемых научных журналах можно встретить заявления о «крайне стабильных золях», за которыми следуют фотографии этих «крайне стабильных золей», выпадающих в осадок. В моём понимании, золь себя так вести не должен. В русском языке, увы, есть только слово «мутный», а в английском в этом плане разнообразия больше — и «turbid», и «cloudy», и «opaque». Так вот, разбавленный стабильный золь маггемита, например, похож на чёрный чай без каких-либо признаков мутности. Эти визуальные признаки тесно связаны с понятием микрогетерогенности, которое подразумевает, что на большом масштабе золь выглядит как раствор без признаков расслоения или выпадения осадка, но на масштабах десятков—сотен нанометров состоит из отдельных частиц твёрдого вещества, распределённых в жидкости-носителе.

— Почему так важна эта стабильность?

— Наночастицы во многом представляют интерес именно из-за огромной удельной поверхности, которая обладает высокой реакционной способностью. Яркий пример — автомобильные катализаторы, где применяют наночастицы металлов платиновой группы, равномерно нанесённые на керамический носитель в виде ячеек. Чтобы продемонстрировать, откуда берётся эта поверхность, представим себе кубик металла родия с гранями один сантиметр. Площадь его поверхности — 6 квадратных сантиметров. Теперь распилим кубик на 8 кубиков поменьше, каждый со стороной полсантиметра. Сумма площадей всех граней полученных кубиков составит уже 12 квадратных сантиметров, хотя их суммарная масса осталась прежней. А теперь представим, что этот кубик мы измельчили в такие же кубики со стороной всего один-два нанометра. Их суммарная площадь поверхности составит уже несколько тысяч квадратных метров, а это как небольшой дачный массив. При том, что масса этого порошка будет как у исходного кубика. Поскольку каталитические процессы протекают на поверхности, гораздо выгоднее использовать катализаторы в виде наночастиц — меньше расход дорогих металлов, таких как тот же родий, и выше каталитическая активность.

Вопрос в том, как на поверхности того же керамического носителя эти частички равномерно распределить? Вот тут-то стабильные золи и оказываются очень удобны. Мы можем просто опрыскать поверхность будущего катализатора золем, отряхнуть лишнее и высушить. Конечно, процесс нанесения платиноидов давно отработан, а вот что касается новых катализаторов на основе наночастиц переходных металлов — тут коллоидные растворы могут оказаться очень полезны.

Процесс седиментации (осаждения) золя с недостаточным количеством цитрата. Золь помещён в кювету для измерения дзета-потенциала частиц (параметра, характеризующего устойчивость дисперсной системы). Фото Дениса Карпова

— Где это можно применить, кроме автомобильной промышленности?

— В медицине, например. При внутривенном введении препарата на основе наночастиц образование осадка может быть смертельно опасно из-за риска эмболии, то есть закупорки сосудов. Иногда стабильность коллоидной системы обуславливает возникновение новых свойств. Многим, наверное, знакомы магнитные жидкости, которые часто позиционируют как своеобразную «игрушку» для домашних экспериментов. Но за такой «игрушкой» скрывается много технологических применений. Например, на основе магнитных жидкостей изготавливают жидкие муфты в жёстких дисках компьютеров, где нужно передавать вращение и при этом сохранять герметичность, чтобы пылинки не попадали. Даже несколько крошечных пылинок, попавших внутрь, могут легко и относительно быстро вывести диск из строя. Стабильность коллоидного раствора в данном случае приводит к тому, что жидкость-носитель, в качестве которой выступает обычно силиконовое масло, и магнитные наночастицы ведут себя в магнитном поле как единое целое и не расслаиваются. Если бы они расслаивались, частицы просто примагнитились бы к магнитному зазору, а масло бы вытекло, муфта потеряла бы герметичность. И тут трудно придумать какие-то альтернативы магнитным жидкостям на основе коллоидных растворов магнитных наночастиц, потому что не существует в настоящее время других подобных материалов, которые были бы, с одной стороны, очень магнитными, а с другой — оставались бы жидкими.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Цветок троллей Цветок троллей

Купальница европейская: когда одна стоит, и то мимо не пройдёшь

Наука и жизнь
Тарифная суматоха Трампа Тарифная суматоха Трампа

Координаты пространства конфликта, разгоревшегося в международной торговле

Монокль
Ничья девочка Ничья девочка

Кем была Елизавета Григорьевна Тёмкина?

Дилетант
28, Пётр и ослик 28, Пётр и ослик

Рассказ Григория Служителя — про путешествие в прошлое на троллейбусе

Afternoon Seasons of life
Носики-курносики Носики-курносики

Порой иконографическое сравнение помогает «узнать» персонажа на картине

Дилетант
Время титанов Время титанов

Ма Яньсун — архитектор, который умеет так же хорошо строить, как и мечтать

Weekend
Братья Либа Братья Либа

Творчество братьев Либа разноцветной палитрой бушует между двумя точками

Afternoon Seasons of life
NASA обнаружило на Марсе «редкие сокровища», пролежавшие там миллиарды лет NASA обнаружило на Марсе «редкие сокровища», пролежавшие там миллиарды лет

Марсоход NASA обнаружил множество древних камней на краю кратера Езеро

Inc.
Александр Невский и его время Александр Невский и его время

Александр Невский правил в тяжелое для нашего отечества время

Знание – сила
Дивный Воронеж Дивный Воронеж

Город-открытие, который ты пропускаешь по пути на море

Лиза
Химия любви: введение Химия любви: введение

Несколько формул и теорий любви, которые предлагают современные ученые

Men Today
Гендиректор Уральского завода гражданской авиации Леонид Лузгин: «Байкал» будет сертифицирован в установленные сроки Гендиректор Уральского завода гражданской авиации Леонид Лузгин: «Байкал» будет сертифицирован в установленные сроки

С какими сложностями столкнулись при создании самолета ЛМС-901 «Байкал»

Ведомости
Заменили отцов на заводах Заменили отцов на заводах

Юные герои тыла: как дети работали на заводах во время Великой Отечественной

Ведомости
Палеонтологи восстановили перья археоптерикса, и объяснили как он летал Палеонтологи восстановили перья археоптерикса, и объяснили как он летал

Как ученые по оставшимся костям могут реконструировать облик археоптерикса?

ТехИнсайдер
Клопы использовали химическую сигнализацию пчел для охоты на них самих Клопы использовали химическую сигнализацию пчел для охоты на них самих

Клопы-хищнецы научились обманывать жертв, заманивая их в ловушку

N+1
Отставить панику! Отставить панику!

Причины повышенной тревожности и как с ней справиться

Добрые советы
6 самых безумных предметов, которые когда-либо крали 6 самых безумных предметов, которые когда-либо крали

Некоторые из самых странных вещей, которые когда-либо были украдены

ТехИнсайдер
Новые гибкие актуаторы позволили колесному роботу трансформироваться в квадрокоптер Новые гибкие актуаторы позволили колесному роботу трансформироваться в квадрокоптер

Инженеры разработали гибкие актуаторы, которые могут плавно деформироваться

N+1
Больше движений! Больше движений!

Нужно больше двигаться, а не искать отговорки, почему не можешь

Y Magazine
Рыцарь карандаша и бумаги Рыцарь карандаша и бумаги

Профессиональный и межпоколенческий разговор двух архитекторов

Afternoon Seasons of life
Добавьте изюминку Добавьте изюминку

Как быстро и бюджетно преобразить интерьер загородного дома

Добрые советы
Зоолог впервые заснял самого крупного грызуна Австралии и Океании Зоолог впервые заснял самого крупного грызуна Австралии и Океании

Зоолог впервые запечатлел на фото и видео низинную мохнатую крысу

N+1
Вам и не снилось… Вам и не снилось…

Почему тин-драмы это не просто поджанр кино и сериалов

Men Today
Решение уйти: массивный, но элегантный блокбастер, которому не хватило духу поставить точку в истории Итана Ханта Решение уйти: массивный, но элегантный блокбастер, которому не хватило духу поставить точку в истории Итана Ханта

Неужели сказка о невыполнимой миссии Итана Ханта близка к концу?

Правила жизни
Перевоспитание мужчин и инвестиции: как Австралия стала примером в борьбе с насилием Перевоспитание мужчин и инвестиции: как Австралия стала примером в борьбе с насилием

Как Австралия смогла войти в топ-20 самых безопасных стран мира для женщин?

Forbes
Павел Воронин: «В ближайшие три года ИИ-решения начнут приносить реальную экономию бизнесу» Павел Воронин: «В ближайшие три года ИИ-решения начнут приносить реальную экономию бизнесу»

Гендиректор МТС Web Services Павел Воронин — об автоматизации и нейросетях

РБК
Следует ли вам чистить зубы до или после завтрака? Ученые наконец-то разрешили спор Следует ли вам чистить зубы до или после завтрака? Ученые наконец-то разрешили спор

Если дело доходит до утренней чистки зубов, когда это нужно делать?

ТехИнсайдер
В тени густых аллей В тени густых аллей

В усадьбах знаменитые дачники прошлого создавали свой неповторимый мир

КАНТРИ Русская азбука
Первая вакцина от аллергии на кошек: теперь она существует Первая вакцина от аллергии на кошек: теперь она существует

Можно ли вылечить аллергию на кошек? Теперь — да

ТехИнсайдер
Нейробиологи показали, как мозг хранит и редактирует наши воспоминания Нейробиологи показали, как мозг хранит и редактирует наши воспоминания

Механизмы, которые хранят и обновляют воспоминания в мозге

ТехИнсайдер
Открыть в приложении