Инициирование процессов самоорганизации наночастиц типа ядро-оболочка состава Fe3O4@ZnO как новый подход к получению функциональных наноматериалов с регулируемыми магнитными свойствами

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-23-00220

НазваниеИнициирование процессов самоорганизации наночастиц типа ядро-оболочка состава Fe3O4@ZnO как новый подход к получению функциональных наноматериалов с регулируемыми магнитными свойствами

Руководитель Осмоловский Михаил Глебович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов

Ключевые слова наночастицы типа ядро-оболочка, гидротермальная обработка, ориентированное присоединение, наноматериалы, магнитные свойства, компьютерное моделирование

Код ГРНТИ31.15.37

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку подходов к получению магнитных наночастиц типа ядро-оболочка и наноматериалов на их основе, в том числе при помощи теоретических методов исследования с привлечением компьютерного моделирования. Научная новизна исследований заключается в предлагаемой идее – получении магнитных материалов путем ориентированного присоединения отдельных наночастиц типа ядро-оболочка друг к другу. Варьирование толщины и других свойств оболочки, а также варьирование условий, при которых происходит ориентированное присоединение, в перспективе открывает путь к получению большого количества разнообразных материалов с управляемыми магнитными свойствами. Научная значимость и актуальность проекта заключается в разработке новых подходов к получению наночастиц и материалов с заданными магнитными свойствами и разработке описания механизмов формирования наночастиц и материалов путем компьютерного моделирования для предсказания их свойств. В ходе выполнения проекта будут получены новые контрастные агенты для МРТ, а также изучена возможность создания материалов для магнитной записи с использованием описанного подхода. В рамках проекта будут рассмотрены наночастицы магнетита с различным размером и формой, покрытые оболочкой разной толщины и степени кристалличности из оксида цинка и наноматериалы на их основе. Разработанные подходы смогут быть распространены на ядра и оболочки других размеров и природы. Научная новизна заключается в ранее не предлагавшейся идее получения магнитных наноматериалов и комплексности подхода к решению с использованием химического и расчетного эксперимента.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Желтова В.В., Королёв-Зелёный К.В., Мазур А.С., Семенов В.Г., Бобрышева Н.П., Осмоловский М.Г., Вознесенский М.А., Осмоловская О.М. Magnetite core and ZnO shell – What is in between and how does it affect on nanoparticles properties? Applied Surface Science, Volume 641, 158530 (год публикации - 2023)
10.1016/j.apsusc.2023.158530

2. Мешина К.И., Ткаченко Д.С., Кочнев Н.Д., Луньков С.С., Панчук В.В., Кирсанов Д.О., Бобрышева Н.П., Осмоловский М.Г., Вознесенский М.А., Осмоловская О.М. Understanding the role of ZnO nanosheet surface in photocatalytic dye degradation: The key to effective wastewater treatment Ceramics International, том 50, выпуск 19, страницы 35103-35114 (год публикации - 2024)
10.1016/j.ceramint.2024.06.317

3. Ткаченко Д.С., Желтова В.В., Мешина К.И., Воронцов-Вельяминов П.Н., Емельянова М.С., Бобрышева Н.П., Осмоловский М.Г., Вознесенский М.А., Осмоловская О.М. Fe3O4@ZnO Core-Shell Nanoparticles—a novel facile fabricated magnetically separable photocatalyst Applied Surface Science , том 672, страницы 160873 (год публикации - 2024)
10.1016/j.apsusc.2024.160873

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Разработанная методика синтеза на основе микроволновой обработки позволила получить серию наночастиц Fe3O4@ZnO с разными структурными параметрами и функциональными свойствами. Во всех случаях вне зависимости от параметров ядра и оболочки формируются «сердца» из трех наночастиц. Каждая из трех частиц, входящая в состав агрегата, представляет собой монокристалл. Самоорганизация наночастиц не влияет на магнитное поведение. Были написаны две программы на языке С++, моделирующих процессы ориентированного присоединения в суспензиях наночастиц и их магнитное поведение. Установлено, что наночастицы в конечных агрегатах сохраняют свою индивидуальность, а также продемонстрировано сохранение структуры переходного (от магнетита к оксиду цинка) слоя при гидротермальной обработке. Контрастирующая способность наночастиц Fe3O4@ZnO соответствуют приведённым в литературе порядкам времени релаксации, и образцы демонстрируют подходящие значения времени релаксации. Также они защищены от окисления поверхности, что позволяет готовить стабильные суспензии для внутривенного введения. На основе синтезированных наночастиц был получен нетоксичный и эффективный магнитно-отделяемый фотокатализатор с контролируемыми свойствами. Предлагаемый материал имеет конкурентное преимущество по сравнению с данными, представленными в литературе. Разработана, оптимизирована и апробирована методика модификации наночастиц Fe3O4@ZnO с использованием насыщенных жирных кислот. Модификация приводит к увеличению коэрцитивной силы и температуры блокировки порошкообразных образцов при практически полном сохранении величины намагниченности. Было продемонстрировано, что в суспензиях наночастиц типа ядро-оболочка возможно протекание процессов ориентированного присоединения. Установлено, что в случае сферических наночастиц магнитные взаимодействия между частицами являются основным фактором, определяющим выраженность этого взаимодействия, что открывает широкие перспективы управления этим процессом путём регулирования магнитного поля. Результаты исследования в 2024 году были представлены на конференциях международного и всероссийского уровня. В 2024 году опубликованы 2 статьи в журналах Applied Surface Science (IF 6.3, Q1) и Ceramics International (IF 5.1, Q1), одна статья находится на стадии under review после major revision в журнале Surfaces and Interfaces (IF 5.7, Q1). По результатам работы был опубликован пресс-релиз на интернет-странице СПбГУ (https://spbu.ru/news-events/novosti/khimiki-spbgu-sozdali-nanolisty-cinka-dlya-sistem-ochistki-vody), информация о проекте размещена на сайте научной группы (https://nanolabspb.ru/activity/projects/).

Публикации

Возможность практического использования результатов
Разработанный в ходе исследования материал на основе наночастиц типа «ядро-оболочка» состава Fe3O4@ZnO может служить технологическим заделом для создания Т2-контрастных агентов в МРТ с целью диагностики рака на ранних стадиях. Выявление подобного рода заболеваний на начальных этапах является критически важным для охраны рабочего населения страны, снижения смертности и увеличению продолжительности жизни населения, что является целью национального проекта «Демография». Помимо этого разработанная технология получения наночастиц Fe3O4@ZnO как магнитно-отделяемого фотокатализатора может стать основой усовершенствования применяемых технологий очистки сточных вод от лекарственных препаратов и пигментов. Это приведёт к снижению вредного воздействия антропогенных факторов на здоровье населения, а также входит в задачи национальной цели «Экологическое благополучие» на 2030 — 2036 годы.