Красноярские ученые впервые в мире создали раствор со сверхвысоким содержанием наночастиц серебра. Концентрация драгоценного металла в нем в 25 раз больше, чем в известных на сегодня смесях. Эта технология позволит создавать чернила для трехмерной печати, антимикробные средства и наножидкости, а также откроет путь к новым материалам и технологиям. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Sustainable Chemistry & Engineering.
Концентрированный раствор наночастиц серебра
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 Федерального исследовательского центра «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.
Воробьев Сергей Александрович, кандидат химических наук, научный сотрудник Института химии и химической технологии Красноярского научного центра СО РАН
«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 Сергей Воробьев, кандидат химических наук, научный сотрудник Института химии и химической технологии Красноярского научного центра СО РАН.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект 18-73-00142).
Информация и фото предоставлены Федеральным исследовательским центром «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской Академии наук»
