Коллектив исследователей получил стабильные золи (растворы) с невероятно высокой
концентрацией наночастиц оксида железа — до 1350 грамм на литр. При этом учёные предложили новый способ
стабилизации таких растворов.
Новый метод не только упрощает производство магнитных растворов, но и позволяет тонко управлять
вязкостью получаемых золей. В будущем такие материалы могут стать перспективными в медицине, экологии и
других областях. Результаты исследования опубликованы в Journal of the
American Chemical Society.
Стабильные гидрозоли, состоящие из равномерно распределённых в воде магнитных частиц размером от
1 до 100 нанометров, обладают уникальными свойствами, которые делают их незаменимыми в самых разных
областях. Например, магнитные наночастицы и их растворы являются перспективными материалами для биомедицины,
позволяющими объединять процесс диагностики различных заболеваний и их лечение. Такие частицы могут
выступать в качестве контрастирующих средств в МРТ, а также носителями при управляемой адресной доставке
лекарственных средств и активными агентами при магнитной гипертермии онкозаболеваний. Другой сферой
применения коллоидных растворов магнитных наночастиц является создание магнитоуправляемых сорбентов для
различных технологических применений и очистки воды, а также умных и метаматериалов. Широкое применение
наноматериалов на основе оксидов железа связано как уникальным сочетанием магнитных и оптических свойств,
так и широкой распространённостью соединений железа на Земле, и, следовательно, низкой стоимостью.
Одна из основных сложностей в создании наноколлоидов — это их стабилизация. Наночастицы склонны
агрегировать, то есть слипаться. Агрегаты частиц просто седиментируют — выпадают в осадок, и наноколлоид
перестает быть наноколлоидом. Чтобы этого избежать, обычно используют стабилизаторы — вещества, которые
обволакивают частицы и не дают им приближаться друг к другу. Стабилизированные наноколлоиды легче хранить,
транспортировать и применять в различных технологиях. Часто в качестве стабилизаторов используют полимеры,
например, поливиниловый спирт, или поверхностно-активные вещества. Тем не менее коллоиды на основе
традиционных высокомолекулярных стабилизаторов обладают рядом недостатков. Помимо более высокой цены, водные
растворы таких соединений сами, как правило, достаточно вязкие, что увеличивает вязкость конечных золей. К
тому же крупные молекулы поверхностно-активных веществ, плотно облепляя частицы, делают их поверхность менее
химически активной, что в ряде случаев нежелательно.
Коллектив учёных, в который вошли исследователи из ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН», ФИЦ
«Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН», Сибирского федерального университета и университета им.
Бар-Илана (Израиль), разработал новый способ создания наноколлоидов, позволяющий обойтись без традиционных
стабилизаторов. В результате специалисты получили наноколлоиды с большой концентрацией наночастиц оксида
железа. Это открывает новые перспективы в биомедицинских и экологических приложениях.
Вместо традиционных стабилизаторов исследователи использовали цитрат лития — это соединение соли
лития и лимонной кислоты, безопасное и простое вещество, которое стабилизирует частицы за счет
электростатических взаимодействий. Цитрат лития создает отрицательный заряд и предотвращает слипание частиц.
В своей работе ученые добились невероятной концентрации наночастиц, до 1350 грамм на литр, что значительно
расширяет возможности применения наночастиц в таких областях, как контролируемая доставка лекарств,
гипертермия, магнитно-резонансная томография, а также в экологической очистке.
После получения материалов исследователи изучили свойства полученных коллоидов. Они 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 когда поле
выключается, их намагниченность исчезает. Таким образом частицами можно управлять. Это открывает огромные
возможности для точного контроля в медицине и технологиях.
Выяснилось, что коллоиды, стабилизированные цитратом лития, показали низкую вязкость, высокую
стабильность и длительную устойчивость к осаждению. Однако они не были единичными наночастицами, как считали
учёные, а сбивались в сложные кластеры. Это не значит, что стабилизатор — цитрат лития — не сработал.
Специалисты предположили: образование и распад кластеров носят динамический характер, и это не дает частицам
слипаться в крупные объединения, которые могли бы выпадать в осадок. Полученные результаты указывают на
более сложную организацию высококонцентрированных коллоидных растворов, предлагая новый подход к пониманию
их структуры.
Источник: «Наука в Сибири».