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

«Картинки» натуралиста «Картинки» натуралиста

Что отражено в русских названиях птиц из семейства куликов?

Наука и жизнь
Идем по циклу Идем по циклу

Что в менструальном цикле считается нормой, а когда требуется внимание

Лиза
БИНТИ БИНТИ

Кто лучше слышит, как суша становится суше и как добыть стройматериал из воздуха

Наука и жизнь
Янская стоянка. Палеолитический человек за полярным кругом Янская стоянка. Палеолитический человек за полярным кругом

Янская стоянка — самые северные следы Homo sapiens в Арктике

Наука и техника
Культ счастья: почему это опасно Культ счастья: почему это опасно

Улучшает ли позитивное мышление качество жизни... или наоборот?

Grazia
Поворот не туда Поворот не туда

Какие районы Москвы в прошлом считались опасными?

Правила жизни
«Отстаиваю свое право не сойти с ума»: Светлана Ходченкова о ролях, карьере и свободе «Отстаиваю свое право не сойти с ума»: Светлана Ходченкова о ролях, карьере и свободе

Актриса Светлана Ходченкова — чему можно научиться даже у неприятных героев?

Forbes
Правила игры Правила игры

Индия во многом остаётся загадкой... как избежать недоразумений с партнерами?

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Поговорим после Поговорим после

Как уйти от неприятного разговора и не чувствовать себя виноватой

Лиза
Краткая жизнь немецкого Vogue: почему не удалось построить империю глянца в Германии Краткая жизнь немецкого Vogue: почему не удалось построить империю глянца в Германии

Почему немецкая версия Vogue стала самым дорогостоящим провалом Конде Наст?

Forbes
Как бренд кроссовок Hovers запустил производство в Москве и почему он не работает с маркетплейсами Как бренд кроссовок Hovers запустил производство в Москве и почему он не работает с маркетплейсами

Почему запустить бренд обуви в России сложнее, чем локальную марку одежды?

Inc.
Верить нельзя сомневаться Верить нельзя сомневаться

О самых частых заблуждениях о миоме матки рассказывает врач акушер-гинеколог

Лиза
Схватить, покрутить и нести на анализы: что делать, если укусил клещ Схватить, покрутить и нести на анализы: что делать, если укусил клещ

Как защищаться от клещей, и что делать, если паразит все-таки укусил

Forbes
Наночастицы пластика могут принести ионы тяжелых металлов в организм человека Наночастицы пластика могут принести ионы тяжелых металлов в организм человека

Пагубное воздействие частиц нанопластика еще больше усиливается

ТехИнсайдер
Что случилось с семьей Гитлера и где живут потомки фашиста? Интересные факты Что случилось с семьей Гитлера и где живут потомки фашиста? Интересные факты

Почему родственники Гитлера решили навсегда прервать зловещую фамилию?

ТехИнсайдер
Здравствуй и прощай Здравствуй и прощай

В свои первые приезды на дачу весной стоит сделать только самое необходимое

КАНТРИ Русская азбука
О наследии Стефана Пермского О наследии Стефана Пермского

Кто может считаться первым исследователем истории и культуры коми народа?

Знание – сила
Торжество прибытия Торжество прибытия

Минивэн Hongqi HQ9 — комфорт для всей семьи с восточным терпением

Автопилот
Семь секретов красивого голоса Семь секретов красивого голоса

Простые хитрости, которые помогут сохранить звучание голоса в любом возрасте

Здоровье
Как избежать срывов во время диеты Как избежать срывов во время диеты

Ты с энтузиазмом начала диету, но сорвалась! Как не повторять подобное дальше?

Лиза
Выйти за ворота Выйти за ворота

Антон Шунин — это целая эпоха в нашем футболе. Как она прошла?

Men Today
Прокатят по деньгам Прокатят по деньгам

Как развивается и от чего зависит цена на сталь в России

Ведомости
Глаза водителя: при каком зрении не стоит садиться за руль, даже если врач разрешил Глаза водителя: при каком зрении не стоит садиться за руль, даже если врач разрешил

При каких недостатках зрения стоит добровольно отказаться от вождения?

ТехИнсайдер
Душа Тосканы Душа Тосканы

Модернистская вилла на склонах холмов, которыми славится тосканский пейзаж

SALON-Interior
Нет 100% гарантии. Дешевле и безопаснее купить авто у дилера или перекупа Нет 100% гарантии. Дешевле и безопаснее купить авто у дилера или перекупа

У кого выгоднее приобрести подержанную машину: у дилера или частного продавца?

РБК
«Путеводитель по Средневековью: Мир глазами ученых, шпионов, купцов и паломников» «Путеводитель по Средневековью: Мир глазами ученых, шпионов, купцов и паломников»

Каково было совершать паломничество на борту галеи

N+1
Новое направление Новое направление

Знакомимся ближе с полноразмерным гибридным кроссовером EXLANTIX ET

Y Magazine
Магдала Магдала

Место паломничества археологов: Магдала – город, упоминаемый в Евангелии

Знание – сила
Художницы с рюкзаками Художницы с рюкзаками

Как в поездках рождаются иллюстрации к детским книгам

Новый очаг
Режиссер Леонид Хейфец. Откровенно о Дорониной, Миронове и Борисове Режиссер Леонид Хейфец. Откровенно о Дорониной, Миронове и Борисове

Когда Ефремов пригласил меня, МХАТ как раз «пилился»

Коллекция. Караван историй
Открыть в приложении