Многие современные технологии, например, 3D- и 2D-печать, биомедицина, оптоэлектроника, синтез композитных наноматериалов требуют большого количества наночастиц с регулируемыми размером и формой. Однако продуктивных, экономически эффективных и экологически безопасных методов изготовления таких объектов не так много.
Ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» и Сибирского государственного университета науки и технологий им. академика М.Ф. Решетнева впервые в мире получили сверхконцентрированные растворы, в которых содержится до 1500 грамм наночастиц серебра на литр. Для этого они модифицировали привычный метод синтеза наночастиц.
Самый распространенный способ получения металлических наночастиц — это «мокрый» химический синтез, где в качестве среды используется жидкость, например, вода. Именно его выбрали ученые для создания наночастиц серебра. Этот метод позволяет относительно легко регулировать размер, состав и структуру наночастиц. Проводится реакция тоже довольно просто. Водный раствор цитрата натрия смешивают с раствором сульфата железа и к полученной смеси добавляют раствор нитрата серебра. В результате взаимодействия реагентов, на дно выпадет осадок наночастиц серебра. Далее полученный раствор центрифугируют, чтобы разделить осадок и растворитель, после чего очищают от примесей. Однако даже эти процедуры позволяют получать осадок, в каждом литре которого содержится лишь несколько десятков грамм наночастиц. Поэтому необходимо проводить дополнительные процедуры по концентрированию частиц, и, как следствие, утилизировать большие объемы отработанных растворов.
Для синтеза более концентрированных растворов с наночастицами серебра красноярские химики модифицировали метод. Ученые использовали фильтрацию вместо центрифугирования и заменили реагент осаждения — нитрат калия, на цитрат натрия. Это позволило снизить укрупнение наночастиц в растворе, облегчить их очистку и в результате получить чрезвычайно концентрированное стабильное серебро.
В ходе исследования химики также обнаружили, что наночастицы серебра аномально стабильны. То есть они были менее склонны к слипанию, укрупнению, растворению и окислению. Ученые отметили, что механизм стабилизации частиц в таких растворах до сих пор не ясен. Исследователи предполагают, что все дело в гидрофильных силах, которые ранее не учитывались. Раскрытие механизма управления свойствами поверхности может существенно изменить представление и технологии производства наночастиц и композитных материалов на их основе.
«Наше внимание привлекла простая методика синтеза наночастиц серебра, предложенная 130 лет назад, где водный раствор нитрата серебра восстанавливается цитратным комплексом железа. Эта система почему-то, не получила должного внимания среди ученых и была практически не изучена. Мы немного изменили подход и нашли условия, благодаря которым можно получить частицы серебра с концентрацией в растворе до 1500 грамм на литр. Проект может быть развит в инновационный стартап для массового, дешевого и более экономичного получения наночастиц. Мы планируем и дальше продолжать работу – раскрыть особенности механизма стабилизации наночастиц. Эти знания помогут разработать методики синтеза сверхконцентрированных гидрозолей наночастиц не только серебра, но и других соединений, например, металлов и их оксидов», — рассказал научный сотрудник Института химии и химической технологии ФИЦ КНЦ СО РАН кандидат химических наук Сергей Воробьев.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект 18-73-00142).
Группа научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН
