Ученыеполучили стабильные растворы с невероятно высокой концентрацией наночастиц оксида железа — до 1350 грамм на литр. При этом исследователи предложили новый способ стабилизации таких растворов. Предложенный 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 журнале JournaloftheAmericanChemicalSociety.
Стабильные гидрозоли, состоящие из равномерно распределенных 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 гипертермиионкозаболеваний. 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 распространенностью 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, то есть 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 ученых, в который вошли исследователи из Красноярского научного центра СО РАН, разработал новый способ создания наноколлоидов, который позволяет обойтись без традиционных стабилизаторов. В результате специалисты получили наноколлоиды с большой концентрациейнаночастиц оксида железа. Это открывает новые перспективы в биомедицинских и экологических приложениях.
Вместо традиционных стабилизаторов специалисты 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 предотвращаетслипание частиц.В своей работе исследователи добились невероятной концентрации наночастиц, до1350 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. То есть, частицами можно управлять, просто включая и выключая магнитное поле. 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 ученые, а сбивались в сложные кластеры.Это не значит, что стабилизатор – цитрат лития – не сработал. Ученые предположили, что образование и распад кластеров носят динамический характер, что 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.
«Наша работа раскрывает потенциал высококонцентрированных водных коллоидов без стабилизаторов, которые могут быть использованы в различных высокотехнологичных областях. Мы представили надежный метод получения стабильных водных суперпарамагнитных растворов на основе магнетита с концентрацией до 1350 грамм на литр, используя лишь минимальное количество цитрата. При этом даже при высокой концентрации коллоиды остаются текучими, что важно для их практического применения.Результаты дают новое понимание структуры высококонцентрированных наноколлоидов и открывают путь для их производства и адаптации под конкретные задачи», — отметил один из авторов исследования Денис Карпов, младший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН.
В исследовании также принимали участие специалисты Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Сибирского федерального университета, Университета Бар-Илан (Израиль).
Фотография Анастасии Тамаровской / ФИЦ КНЦ СО РАН. Денис Карпов. Младший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН.
PR-служба
Федеральный исследовательский центр
«Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской Академии наук»
(ФИЦ КНЦ СО РАН)