Красноярские
учёные разработали простой и результативный метод, который позволяет
производить растворы с необычайно высокой концентрацией металлов. Благодаря
этому методу, исследователи смогли получить раствор с рекордным количеством
наночастиц серебра — 1800 грамм на литр.
Такой
подход позволит создавать чернила для трёхмерной печати, а также открывает
новые перспективы для разработки материалов и технологий. Результаты
исследования опубликованы в серии статей, последняя из них в журнале Colloid Journal.
Благодаря
своим уникальным свойствам органозоли наночастиц серебра широко используются в
оптических и полупроводниковых приборах, для получения электро- и
теплопроводящих плёнок, а также в качестве катализаторов и антибактериальных
материалов. Однако большинство существующих методов получения органозолей
наночастиц имеют свои ограничения. Они могут снижать эффективность и
рентабельность производства, требуют утилизации и переработки больших объёмов
отработанных растворов, а итоговая концентрация наночастиц серебра редко
превышает сто грамм на литр.
Сотрудники
Института химии и химической технологии СО РАН, Сибирского федерального
университета и Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН впервые в мире
создали раствор со сверхвысоким содержанием наночастиц серебра. Для этого они
разработали простой и высокопроизводительный метод получения органозолей
серебра с концентрацией металла до 1800 грамм на литр. Метод заключается в
приготовлении гидрозоля — водной фазы наночастиц серебра, а затем переводе его
в органозоль — органическую фазу. Такой подход позволяет повысить концентрацию
наночастиц в растворе.
«Основное
различие между органозолями и гидрозолями заключается в типе среды: органозоли
имеют органическую среду, а гидрозоли — водную. Преимущество органозолей перед
гидрозолями заключается в том, что органозоли содержат органические
растворители, такие как спирты и эфиры, которые обеспечивают лучшую стабильность
и совместимость с различными материалами и поверхностями. Это делает органозоли
более эффективными»,
— поясняет Сергей Воробьёв, кандидат химических наук, старший научный
сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН.
Для
перехода наночастиц в органическую фазу к очищенному гидрозолю серебра учёные
добавляют деионизированную воду и ортоксилол — нефтяной продукт, представляющий
собой комбинацию органических веществ. Будучи малолетучим, умеренно токсичным и
относительно дешёвым, это вещество оказалось наиболее эффективным в процессе
экстракции. После перемешивания получившаяся смесь разделяется на тёмно-жёлтый
верхний органический слой и бесцветный водный слой с небольшим количеством
чёрного осадка на дне.
«В
своей работе мы использовали метод фазового переноса. Этот метод заключается в
первоначальном приготовлении гидрозолей наночастиц серебра с последующим
переводом частиц в органическую фазу. Мы синтезировали гидрозоли
наночастиц металлического серебра предложенным ранее модифицированным цитрат-сульфатным
методом. Перевод в органическую фазу повышает гидрофобность
наночастиц. При этом их размер и форма практически не меняются. Полученные
органозоли серебра стабильны, то есть менее склонны к слипанию, укрупнению,
растворению и окислению, и могут быть концентрированы путём частичного удаления
растворителя до содержания металлов 1800 грамм на литр»,
— рассказывает Сергей Воробьев о разработке концентрированных
растворов наночастиц.
Эксперты
подчёркивают, что помимо небывалой концентрации, разработанные органозоли
обладают высокой стабильностью, сохраняющейся более семи месяцев. Они также
выдерживают многократные циклы сушки и возвращения в зольную форму. Методика,
предложенная красноярскими специалистами, позволит разрабатывать чернила для
трёхмерной печати, антимикробные средства и наножидкости, а также откроет новые
возможности для создания материалов и технологий.
«Наши
растворы гораздо более концентрированы, дешевы, безопасны в получении, а также
очень производительны по сравнению с аналогами. Концентрат, основанный на
частицах серебра, значительно превосходит как зарубежные, так и отечественные
разработки по многим характеристикам. Другие разработки имеют концентрацию не
более 500 грамм на литр и требуют трудоемкой процедуры получения. Наша
технология уникальна и позволяет использовать серебро в виде нитрата, который
восстанавливается в определенных условиях. А продукт можно использовать в
печатных и струйных принтерах для создания проводящих дорожек без необходимости
отжига. Это открывает путь к производству печатной и наносимой дешёвой
электроники на гибких основах. Такие, как печатные платы и тонкие
серебряные плёнки»,
— поделился Сергей Воробьев.
Исследователи
попробовали получить из новых органозолей серебра металлические плёнки. Для
этого органозоли наносили на сухую и обезжиренную поверхность стекла. После
испарения ортоксилола на нем образовывалась плёнка с характерным металлическим
блеском серебристого цвета. Полученные плёнки имели толщину 1 микрометр и
высокую электропроводность, которая возрастала более чем в 6 раз после
термообработки плёнки. Учёные также обнаружили, что, увеличив количество
наносимого раствора, можно получить более толстые плёнки — толщиной до 20
микрометров.
Красноярские
учёные предполагают, что практически любой материал в наноразмерном состоянии
может быть концентрирован в зольных растворах предложенным методом. Например,
специалисты также синтезировали концентрированные гидрозоли наночастиц
магнетита с содержанием 1350 грамм на литр и оксида меди с концентрацией
металла около одного килограмма на литр. Такие разработки могут найти свое
применение в биомедицине для адресной доставки лекарственных средств: лекарство
«присоединяется» к магнитной наночастице, которая при помощи внешнего
магнитного поля направляется в раковую клетку. Гидрозоли также можно
использовать для обогащения разных видов руды, в процессах экстракции,
например, золотых руд, и для создания метаматериалов.
Источник: КНЦ СО РАН.