Просто добавь воды
Химики из Красноярского научного центра получили стабильные растворы с невероятно высокой концентрацией наночастиц оксида железа, при этом предложив новый способ их стабилизации. Эта разработка не только упрощает производство магнитных растворов, но и позволяет тонко управлять их вязкостью. В будущем такие материалы могут стать перспективными в медицине, экологии и других областях. Результаты работы опубликованы в журнале Journal of American Chemical Society*.
* Karpov D. V., Vorobyev S. A., Bayukov O. A. еt al. Unraveling the Structcture and Propertities of High-Concentntration Aqueous Iron Oxidide Nanocolloids Free of Steric Stabilizers. JACS, 2025 147 (10), 8467—8477.
Рассказывает Денис Карпов, младший научный сотрудник лаборатории гидрометаллургических процессов Института химии и химической технологии КНЦ СО РАН.
Беседу ведёт Наталия Лескова.
— Денис Вадимович, с чего началась ваша работа в области коллоидной химии?
— Над тематикой высококонцентрированных золей работали ещё до меня в лаборатории гидрометаллургических процессов. Мой коллега и соавтор Сергей Александрович Воробьёв получил золи серебра с концентрациями порядка полутора килограммов на литр. Там тоже высокостабильные золи. А вдохновителем работы по всем плотным золям, не только по серебру, стал наш бывший руководитель Юрий Леонидович Михлин. На тот момент уже были известны стабильные концентрированные золи на основе диоксида кремния, того самого, из которого состоит песок, только в данном случае частицы намного меньше — порядка 50 нанометров. Примерно в то же время, когда Сергей Воробьёв занимался серебром, я в рамках научно-исследовательской работы занимался золями оксида железа, а именно маггемита и магнетита. У меня тогда не получились стабильные концентрированные золи, но опыт работы был — я умел стабильно получать эти наночастицы, умел делать разбавленные золи.
— Золи — это разновидность коллоидных растворов?
— Существуют разные коллоидные системы, их классификация обычно строится на основе того, что и в чём распределено. Есть аэрозоли, состоящие из твёрдых частичек или крайне мелких капелек жидкости, которые равномерно распределены в газообразной фазе. Но нас в данном случае больше интересуют именно золи, представляющие собой те же твёрдые частицы или капельки жидкости, распределённые в жидкости-носителе. Если жидкой фазой выступает вода, то говорят о гидрозолях. В быту с такими золями мы встречаемся относительно редко, чаще сталкиваемся с суспензиями и эмульсиями, которые значительно отличаются. Золи, как правило, образованы значительно более мелкими частицами и гораздо стабильнее во времени — не выпадают в осадок. Яркий пример — золи золота, синтезированные Фарадеем, которые по сей день хранятся в музее Королевского института Великобритании. Фарадей изучал как раз коллоидное золото. Он брал соединение золота, тетрахлороаурат водорода, которое ещё называют «золотой кислотой», и восстанавливал его до металлического золота, используя соединения фосфора.
— Для чего он это делал?
— Фарадея в первую очередь интересовали оптические свойства полученных им растворов. В его времена считалось, что красный цвет таких систем обусловлен каким-то соединением собственно золота и двухвалентного олова, соединения которого использовались для получения коллоидного золота ещё до Фарадея. Собственно, он первым и показал на основании сходства оптических свойств тонкой золотой фольги и золей золота, что последние содержат не какое-то соединение золота, а мельчайшие золотые частички. Разумеется, теории, объясняющие, почему такие частички не выпадают в осадок, появились много позже, лишь в начале XX века. Ирония, правда, в том, что, согласно этим теориям, частицы в золях, напротив, должны слипаться и выпадать в осадок, потому что золи термодинамически нестабильны. Но вот кинетически они, как правило, очень устойчивы. Упомянутое коллоидное золото, приготовленное Фарадеем, за 150 лет до сих пор в осадок не выпало.
— Если я правильно понимаю, основное свойство золей — это именно их стабильность?
— Стабильность — первое, на что лично мы с коллегами обращаем внимание. В отличие от многих других характеристик, её легко оценить визуально, прежде чем исследовать полученный раствор с привлечением каких-то сложных физических методов, реализуемых на дорогом научном оборудовании. Часто в статьях даже в рецензируемых научных журналах можно встретить заявления о «крайне стабильных золях», за которыми следуют фотографии этих «крайне стабильных золей», выпадающих в осадок. В моём понимании, золь себя так вести не должен. В русском языке, увы, есть только слово «мутный», а в английском в этом плане разнообразия больше — и «turbid», и «cloudy», и «opaque». Так вот, разбавленный стабильный золь маггемита, например, похож на чёрный чай без каких-либо признаков мутности. Эти визуальные признаки тесно связаны с понятием микрогетерогенности, которое подразумевает, что на большом масштабе золь выглядит как раствор без признаков расслоения или выпадения осадка, но на масштабах десятков—сотен нанометров состоит из отдельных частиц твёрдого вещества, распределённых в жидкости-носителе.
— Почему так важна эта стабильность?
— Наночастицы во многом представляют интерес именно из-за огромной удельной поверхности, которая обладает высокой реакционной способностью. Яркий пример — автомобильные катализаторы, где применяют наночастицы металлов платиновой группы, равномерно нанесённые на керамический носитель в виде ячеек. Чтобы продемонстрировать, откуда берётся эта поверхность, представим себе кубик металла родия с гранями один сантиметр. Площадь его поверхности — 6 квадратных сантиметров. Теперь распилим кубик на 8 кубиков поменьше, каждый со стороной полсантиметра. Сумма площадей всех граней полученных кубиков составит уже 12 квадратных сантиметров, хотя их суммарная масса осталась прежней. А теперь представим, что этот кубик мы измельчили в такие же кубики со стороной всего один-два нанометра. Их суммарная площадь поверхности составит уже несколько тысяч квадратных метров, а это как небольшой дачный массив. При том, что масса этого порошка будет как у исходного кубика. Поскольку каталитические процессы протекают на поверхности, гораздо выгоднее использовать катализаторы в виде наночастиц — меньше расход дорогих металлов, таких как тот же родий, и выше каталитическая активность.
Вопрос в том, как на поверхности того же керамического носителя эти частички равномерно распределить? Вот тут-то стабильные золи и оказываются очень удобны. Мы можем просто опрыскать поверхность будущего катализатора золем, отряхнуть лишнее и высушить. Конечно, процесс нанесения платиноидов давно отработан, а вот что касается новых катализаторов на основе наночастиц переходных металлов — тут коллоидные растворы могут оказаться очень полезны.
— Где это можно применить, кроме автомобильной промышленности?
— В медицине, например. При внутривенном введении препарата на основе наночастиц образование осадка может быть смертельно опасно из-за риска эмболии, то есть закупорки сосудов. Иногда стабильность коллоидной системы обуславливает возникновение новых свойств. Многим, наверное, знакомы магнитные жидкости, которые часто позиционируют как своеобразную «игрушку» для домашних экспериментов. Но за такой «игрушкой» скрывается много технологических применений. Например, на основе магнитных жидкостей изготавливают жидкие муфты в жёстких дисках компьютеров, где нужно передавать вращение и при этом сохранять герметичность, чтобы пылинки не попадали. Даже несколько крошечных пылинок, попавших внутрь, могут легко и относительно быстро вывести диск из строя. Стабильность коллоидного раствора в данном случае приводит к тому, что жидкость-носитель, в качестве которой выступает обычно силиконовое масло, и магнитные наночастицы ведут себя в магнитном поле как единое целое и не расслаиваются. Если бы они расслаивались, частицы просто примагнитились бы к магнитному зазору, а масло бы вытекло, муфта потеряла бы герметичность. И тут трудно придумать какие-то альтернативы магнитным жидкостям на основе коллоидных растворов магнитных наночастиц, потому что не существует в настоящее время других подобных материалов, которые были бы, с одной стороны, очень магнитными, а с другой — оставались бы жидкими.