Ученые создали высококонцентрированные коллоидные растворы наночастиц Fe₃O₄

Стабильные коллоидные растворы с невероятно высокой концентрацией наночастиц оксида железа (до 1350 грамм Fe₃O₄ на литр) получила международная группа ученых, 25 марта сообщает пресс-служба Красноярского научного центра (КНЦ) СО РАН.

Исследователи опробовали новый способ стабилизации таких растворов, который упрощает производство магнитных коллоидных растворов (золей), позволяя при этом тонко управлять их вязкостью. Такие материалы имеют большие перспективы применения в медицине, экологии и других областях.

Уникальные свойства стабильных гидрозолей, содержащих равномерно распределенные в воде магнитные частицы размером от 1 до 100 нанометров, делают их незаменимыми в самых разных областях. В том числе в биомедицине, где наночастицы и их растворы позволяют объединять диагностику различных заболеваний и их лечение.

Магнитные наночастицы в медицине могут использоваться как контрастирующие средства в МРТ, носители при управляемой адресной доставке лекарственных средств и активные агенты при магнитной гипертермии онкозаболеваний. Кроме того, коллоидные растворы магнитных наночастиц могут использоваться для создания магнитоуправляемых сорбентов в химической промышленности или при очистке воды, а также при создании «умных» и метаматериалов.

Наноматериалы на основе оксидов железа, сочетающие уникальные магнитные и оптические свойства, имеют обширную область применения в том числе и за счет широкого распространения соединений железа на Земле, что обуславливает их низкую стоимость.

При создании наноколлоидов наиболее сложной задачей является их стабилизация. Наночастицы в жидкости склонны слипаться (агрегировать), а агрегаты частиц выпадают в осадок, т. е. наноколлоид перестает быть наноколлоидом. Чтобы этого не произошло, используют стабилизаторы, которые, обволакивая частицы, не дают им агрегировать.

Стабилизированные наноколлоиды можно хранить, транспортировать и использовать в различных целях. Стабилизаторами коллоидов часто выступают полимеры, например, поливиниловый спирт, а также поверхностно-активные вещества (ПАВ). Однако коллоиды, стабилизированные «традиционными» высокомолекулярными (стерическими) стабилизаторами имеют ряд недостатков.

Кроме высокой цены, водные растворы таких стабилизаторов обычно достаточно вязкие, и их применение увеличивает вязкость конечных золей. Также крупные молекулы ПАВ, плотно облепляющие наночастицы магнетита, снижают их химическую активность, что в ряде случаев является нежелательным.

Коллектив ученых, в который вошли исследователи из КНЦ СО РАН, специалисты Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН, Сибирского федерального университета и Университета Бар-Илан (Израиль), разработал новый способ создания наноколлоидов без использования традиционных стабилизаторов.

Новый метод позволил им получить наноколлоиды с очень большой концентрацией наночастиц оксида железа, что открывает широкие перспективы использования их в биомедицинских и экологических приложениях.

Для стабилизации коллоидного раствора наночастиц магнетита исследователи использовали цитрат лития (Li₃C₆H₅O₇ — соединение соли лития и лимонной кислоты), безопасное, простое вещество, предотвращающее слипание частиц за счет создания отрицательного заряда. Это позволило добиться невероятной по величине концентрации наночастиц в коллоиде — до 1350 грамм на литр.

Такой высококонцентрированный коллоидный раствор магнитных наночастиц значительно расширяет возможности их применения для контролируемой доставки лекарств, гипертермии, в магнитно-резонансной томографии и экологической очистке.

Исследователи изучили свойства полученных коллоидов, которые содержали суперпарамагнитные наночастицы оксида железа (магнетита) размером около 11 нанометров. Суперпарамагнитность вещества — это свойство приобретать намагниченность под действием внешнего магнитного поля, которая исчезает после отключения поля.

Поэтому суперпарамагнитными частицами можно управлять, включая и выключая магнитное поле. Такая возможность открывает огромные перспективы их использования с точным контролем производимого ими действия в медицине и других различных технологиях.

Ученые установили, что созданные ими коллоиды, стабилизированные цитратом лития, имеют низкую вязкость, высокую стабильность и длительную устойчивость к осаждению. Однако оказалось, что их составляли не единичные наночастицы, как они считали ранее, а сложные кластеры.

Исследователи предположили, что в таких коллоидах образование и распад кластеров носят динамический характер и это не позволяет частицам слипаться в крупные объединения, которые бы выпадали в осадок. Таким образом, полученные учеными данные говорят о более сложной организации высококонцентрированных коллоидных растворов, что дает новый подход к пониманию их структуры.

Результаты исследования были представлены в статье «Раскрытие структуры и свойств высококонцентрированных водных наноколлоидов оксида железа, свободных от стерических стабилизаторов», опубликованной в Journal of the American Chemical Society.

Младший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН Денис Карпов рассказал о полученных результатах проведенного командой исследования:

«Наша работа раскрывает потенциал высококонцентрированных водных коллоидов без стабилизаторов, которые могут быть использованы в различных высокотехнологичных областях. Мы представили надежный метод получения стабильных водных суперпарамагнитных растворов на основе магнетита с концентрацией до 1350 грамм на литр, используя лишь минимальное количество цитрата».

Он отметил, что и при высокой концентрации полученные ими коллоиды сохраняют текучесть, а это облегчает их применение. Кроме практического значения, результаты их исследования позволили получить новое понимание структуры высококонцентрированных наноколлоидов, что открывает возможности их производства и адаптации под конкретные задачи.