Ученые получили концентрированные растворы металлов для чернил 3D-печати

Раствор со сверхвысоким содержанием наночастиц серебра первыми в мире удалось получить ученым Красноярского научного центра (КНЦ) СО РАН, 18 июня сообщает пресс-служба КНЦ.

Способ, разработанный красноярскими учеными, позволяет производить растворы с необычайно высокой концентрацией металлов в органических растворителях — органозоли. С помощью этого простого и результативного метода исследователи получили раствор, содержащий рекордное количество наночастиц серебра — 1800 грамм на литр.

Такая концентрация позволяет создавать чернила для трехмерной печати (3D), а сам метод перспективен для синтеза различных материалов и разработки новых технологий.

Описание метода и результаты его исследования команда ученых из Института химии и химической технологии (ИХХТ) СО РАН, Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН и Сибирского федерального университета представила в серии статей, последняя из которых, «Синтез и исследование сверхвысококонцентрированных органозолей наночастиц серебра», опубликована в журнале Colloid Journal.

В ней они отмечают, что уникальные свойства органозолей наночастиц серебра нашли широкое применение в оптических и полупроводниковых приборах, их используют для получения электро- и теплопроводящих пленок, а также катализаторов и антибактериальных материалов.

Поскольку существующие методы получения органозолей наночастиц в большинстве случаев дороги, требуют утилизации и переработки больших объемов отработанных растворов, обеспечивая при этом концентрацию наночастиц серебра в среднем не более 100 грамм на литр, учеными КНЦ СО РАН был проведен ряд исследований для поиска более экономичных технологий.

Особенностью разработанного ими метода является предварительное приготовление водной фазы наночастиц серебра — гидрозоля, который далее переводится в органозоль, что позволило повысить концентрацию наночастиц в растворе.

Старший научный сотрудник ИХХТ СО РАН, кандидат химических наук Сергей Воробьев пояснил необходимость такой трансформации:

«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».

Для преобразования гидрозолей наночастиц серебра в органозоли к очищенному гидрозолю исследователи добавили деионизированную воду и ортоксилол — продукт переработки нефти, представляющий собой комбинацию органических веществ. Он малолетуч, умеренно токсичен и относительно дешев. Именно это вещество, как показали эксперименты, оказалось наиболее эффективным для экстракции.

Перемешивание всех ингредиентов приводило к тому, что смесь разделилась 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 грамм на литр», — рассказал Сергей Воробьев о новом методе.

Исследователи отмечают, что достоинствами созданной органозоли, кроме недостигаемой ранее высочайшей концентрации, является высокая (более семи месяцев) стабильность. Также их можно многократно высушивать и затем возвращать в зольную форму.

Это позволяет использовать данную органозоль для создания чернил для трехмерной печати, антимикробных средств и наножидкости, а сам метод дает 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», — указал Сергей Воробьев.

Он уточнил, что созданная коллективом красноярских ученых технология уникальна. Она позволяет использовать серебро в виде нитрата, а получаемый 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. Такие, как печатные платы и тонкие серебряные пленки».

Ученые провели ряд экспериментов по получению из созданных органозолей серебра металлических пленок. Они наносили их на сухую и обезжиренную поверхность стекла. Когда ортоксилол испарялся, на стекле оставалась пленка серебра толщиной 1 микрометр, обладающая высокой электропроводностью. Термообработкой этой пленки удалось увеличить ее электропроводность более чем в шесть раз.

Кроме того, было установлено, что увеличением количества наносимого раствора можно добиться получения более толстых пленок — толщиной до 20 микрометров.

Исследователи считают, что предложенный ими метод может быть использован для получения зольных растворов практически любого материала в наноразмерном состоянии. Так, специалистами были синтезированы концентрированные гидрозоли наночастиц магнетита с содержанием 1350 грамм на литр и оксида меди с концентрацией металла около одного килограмма на литр.

Разработки красноярских ученых могут использоваться биомедициной для адресной доставки лекарственных средств. Например, лекарство «присоединяется» к магнитной наночастице, которую затем внешним магнитным полем направляют в раковую клетку.

Кроме того, гидрозоли можно использовать для обогащения разных видов руды в процессах экстракции, например, золотых руд, а также для синтеза метаматериалов.