Красноярские ученые 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 — 1 800 граммов на литр. Такой подход позволит создавать чернила для трехмерной печати, а также открывает новые перспективы для разработки материалов и технологий. Результаты исследования опубликованы в серии статей, последняя из них вышла в журнале Colloid Journal.
Образец концентрированного раствора серебра
Благодаря своим уникальным свойствам органозоли наночастиц серебра широко используются в оптических и полупроводниковых приборах, для получения электро- и теплопроводящих пленок, 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 объемов отработанных растворов, а итоговая концентрация наночастиц серебра редко превышает сто граммов на литр.
Ученые ФИЦ «Красноярский научный центр 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 1 800 граммов 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 старший научный сотрудник Института химии и химической технологии ФИЦ КНЦ СО РАН кандидат химических наук Сергей Александрович Воробьев.
Сергей Воробьев
Для перехода наночастиц в органическую фазу к очищенному гидрозолю серебра ученые добавляют деионизированную воду и ортоксилол — нефтяной продукт, представляющий собой комбинацию органических веществ. Будучи малолетучим, умеренно токсичным и относительно дешевым, это вещество оказалось наиболее эффективным в процессе экстракции. После перемешивания получившаяся смесь разделяется на темно-желтый верхний органический слой и бесцветный водный слой с небольшим количеством черного 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 путем частичного удаления растворителя до содержания металлов 1800 граммов на литр», — рассказывает Сергей Воробьев о разработке концентрированных растворов наночастиц.
Специалисты подчеркивают, 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 учеными, позволит разрабатывать чернила для трехмерной печати, антимикробные средства и наножидкости, а также откроет новые возможности для создания материалов и технологий.
Металлические пленки из новых органозолей серебра
«Наши растворы гораздо более концентрированны, 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 граммов 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 дешевой электроники на гибких основах, таких как печатные платы и тонкие серебряные пленки», — прокомментировал Сергей Воробьев.
Исследователи попробовали получить из новых органозолей серебра металлические пленки. Для этого органозоли наносили на сухую и обезжиренную поверхность стекла. После испарения ортоксилола на нем образовывалась пленка с характерным металлическим блеском серебристого цвета. Полученные пленки имели толщину один микрометр и высокую электропроводность, которая возрастала более чем в шесть раз после термообработки пленки. Ученые также обнаружили, что, увеличив количество наносимого раствора, можно получить более толстые пленки — толщиной до 20 микрометров.
Красноярские ученые 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 1 350 граммов 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.
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».
Группа научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН
Фото Анастасии Тамаровской
