Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Методом осаждения путем варьирования условий синтеза (температура синтеза, природа и концентрация исходных реагентов, порядок их смешения) получены сферические наночастицы магнетита различного размера, приведена их комплексная характеризация. Методом осаждения в различных температурных режимах (в том числе с последующей гидротермальной обработкой) получены наночастиц типа ядро-оболочка состава Fe3O4@ZnO. Разработаны, апробированы и оптимизированы оригинальные процедуры синтеза, основанные на одновременном и последовательном внесении реагентов в реакционную среду. Проведена комплексная характеризация полученных образцов методами РФА, ИК, БЭТ, ПЭМ, ИСП-АЭС, Мессбауэровская спектроскопия, динамического светорассеяния и установлены параметры оболочки, а также условия формирования «плотных» и «рыхлых» оболочек. Изучение термических свойств наночастиц на воздухе показало, что созданные оболочки выполняют свои защитные функции. Все полученные образцы являются суперпарамагнитными, максимальная намагниченность ожидаемо линейно уменьшается с ростом содержания цинка в образцах и составляет около 68 ему/г для образцов с 10% цинка. Температура блокировки зависит от процедуры смещения исходных реагентов и от температуры синтеза, то есть определяется процесса формирования оболочки на поверхности ядра; значения варьируются от 341 до 410 К. С использованием подходов стохастического моделирования проведена оценка значений эффективной константы анизотропии, отражающей магнитное состояние ядра. Тщательное изучение полученных продуктов, в том числе влияния оболочки на параметры ядра с привлечением магнитных данных, установлено, что между магнетитом и оболочкой находится промежуточный слой сложной структуры, которая может быть описана как последовательность слоёв «магнетит — маггемит — гётит — оксид цинка». Переход от одной фазы к другой возможен из-за постепенного изменения кристаллографических параметров, что в конечном итоге и позволяет сформироваться слою ZnO. Установлено, что оболочка и процесс ее формирования оказывает сильное влияние на структуру переходного слоя. Так, в случае плотной оболочки состав переходного слоя в основном определяется воздействием оболочки на ядро из-за возникающего значительного поверхностного натяжения после ее формирования. В случае рыхлой оболочки поверхностное натяжение менее выражено и трансформации переходного слоя способствуют процессы, возникающие на границе раздела магнетит-маггемит. Для инициирования процесса формирования нанокомпозитов промежуточный продукт состава Fe3O4@ZnO выдерживали в гидротермальных условиях (варьируемые параметры: тип нагрева, температурные режимы нагрева, длительность выдерживания, рН реакционной смеси, концентрация наночастиц); конечный продукт был охарактеризован комплексом физико-химических методов. Установлено, что при использовании одностадийного нагрева обоих типов (микроволновое излучение и печь сопротивления) в независимости от рН и состава реакционной среды происходит разрушение структуры ядра, что проводит к формированию маггемита и гетита. В связи с этим был предложен и апробирован двухстадийный подход к гидротермальной обработке промежуточного продукта. На первой стадии проводится непродолжительная обработка при температурах менее 100°С, а далее более продолжительная обработка при более высоких температурах. Условия проведения обеих стадий были оптимизированы и использованы для получения серии композитов с ядрами различных размеров. Полученные образцы являются суперпарамагнитными, значение максимальной намагниченности для всех образцов находится в интервале 68 – 70 ему/г, что соответствует образцам до температурной обработки и указывает на сохранение магнитных свойств и состава ядра. Предложен, разработан и находится на стадии реализации расчетных подход для определения потенциалов взаимодействия поверхностей наночастиц типа ядро-оболочка в суспензиях в гидротермальных условиях. С использованием модельной система в in vitro экспериментах определены времена релаксации полученных наночастиц в режиме Т2, показано, что они зависят от толщины и плотности оболочки. Результаты работы доложены на 4 конференциях (2 устных и 2 стендовых доклада), опубликована одна статья в журнале Applied Surface Science (IF 6.7, Q1), вторая статья находится в стадии подготовки к опубликованию, СПбГУ совместно с РНФ выпущен пресс-релиз по результатам работы.