Наночастицы диоксида титана, декорированные золотом, поглощают около 96% излучения солнечного спектра и переводят его в тепло. Материал может ускорить испарение воды в промышленных опреснителях до 2,5 раз, его также можно использовать в качестве сенсора опасных молекул и соединений. Международная команда исследователей, в которую вошли представители Дальневосточного федерального университета (ДВФУ), Университета ИТМО и Дальневосточного отделения Российской академии наук, рассказала об этом в ACS Applied Materials and Interfaces.
Доступ к чистой воде входит в 17 целей устойчивого развития ООН. Между тем, Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) и Детский фонд (ЮНИСЕФ) в 2019 году опубликовали доклад, в котором отметили, что 2,2 млрд человек не имеют доступа к чистой питьевой воде.
Чистую воду часто получают с помощью опреснения морской, которую испаряют солнечным нагревом и концентрируют пар. Чтобы добиться большей производительности, нужны новые материалы, ускоряющие испарение. За последние пять лет эта область исследований значительно выросла во всем мире.
Ученые ДВФУ и ДВО РАН вместе с партнерами из ИТМО и зарубежными исследователями получили такой инновационный наноматериал, облучив лазером коммерчески доступный порошок диоксида титана, который предварительно поместили в жидкость с ионами золота.
«В результате лазерного воздействия нанопорошок утратил упорядоченную кристаллическую структуру и стал эффективнее поглощать видимый свет. Поглощению также способствует формирование на поверхности и объеме диоксида титана наноразмерных кластеров золота. Изначально мы хотели использовать это свойство в контексте солнечной энергетики, но быстро поняли, что из-за своей новой аморфной структуры наночастицы в активном слое солнечных батарей, поглотив солнечную энергию, будут преобразовываться ее в тепло, а не в электричество. Зато пришла идея применить его в качестве своеобразного нагревающего элемента в опреснителе, что и было успешно проделано в лабораторных условиях», — рассказывает один из авторов работы Александр Кучмижак, старший научный сотрудник Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.
Свойства материала также позволяют применять его в качестве вещества-детектора в сенсорных системах, которые реагируют на мельчайшие следы различных веществ, растворенных в жидкостях. Например, в микро-флюидных биомедицинских системах, «лабораториях в чипе», и системах экологического мониторинга для поиска загрязняющих веществ, антибиотиков или вирусов, попавших в воду.
«Материал получили с помощью простой и экологичной технологии лазерной абляции в жидкости. В жидкость, содержащую ионы золота, мы добавили нанопорошки диоксида титана и все это облучили лазерными импульсами видимого спектра. Метод не требует дорогостоящего оборудования, опасных химических веществ и может быть легко оптимизирован под синтез уникального наноматериала в довольно значительном количестве нескольких граммов в час», — рассказал участник исследования Станислав Гурбатов, младший научный сотрудник Политехнического Института (Школы) ДВФУ.
Примечательно, что исходные наночастицы диоксида титана в кристаллической форме практически не поглощают видимое лазерное излучение. При этом они служат катализатором для формирования на их поверхности наноразмерных кластеров золота, которые и стимулируют дальнейшее плавление диоксида титана. Сплавление нескольких гибридных наночастиц приводит к формированию структур с уникальной морфологией, в которых золото находится как внутри, так и на поверхности диоксида титана.
Нанопорошок диоксида титана, декорированного кластерами золота, представляется человеческому глазу черным, поскольку активно поглощает видимый световой спектр, подобно черной дыре в космосе, и преобразует его тепло. При этом обычный коммерческий порошок диоксида титана, который был использован в разработке, мы видим, как белый.
Разработка новых материалов, в том числе поддерживающих новые физические принципы действия, для разнообразных областей применения, относится к приоритетным направлениям научно-исследовательской работы в ДВФУ, которую университет ведет в тесном сотрудничестве с Российской академией наук, отечественными и зарубежными коллегами.
Работа поддержана грантом Российского научного фонда № 19-79-00214.
