Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка способов получения наночастиц магнетита (оксида железа (II, III)) заданного размера для актуальных задач фотоники, медицины и электроники

Номер контракта: 14.576.21.0002

Руководитель: Гришечкина Елена Витальевна

Должность: старший научный сотрудник

Организация: федеральное государственное унитарное предприятие "Институт химических реактивов и особо чистых химических веществ Национального исследовательского центра "Курчатовский институт"
Организация докладчика: Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
магнетит, магнитные наночастицы, fe3o4, синтез, дисперсия

Цель проекта:
В настоящее время важной задачей является разработка способов получения сферических наночастиц Fe3O4, позволяющих контролировать размер и распределение частиц по размерам. Для целей фотоники, медицины и электроники перспективно использование сферических наночастиц Fe3O4 размером более 30 нм. Однако в настоящее время получение частиц размером более 30 нм связано с использованием дорогостоящего оборудования и рядом технологических трудностей, что увеличивает себестоимость конечного продукта. Цель работы: разработать способ получения сферических наночастиц Fe3O4 заданного размера в интервале от 30 до 200 нм с узким распределением частиц по размерам с целью использования их для решения актуальных задач фотоники, медицины и электроники. Для достижения поставленной цели требуется экспериментальным путем определить оптимальные условия синтеза частиц магнетита размером более 30 нм.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе проведения ПНИ должны быть определены оптимальные условия получения частиц магнетита заданного размера, а также дисперсий частиц, устойчивых к агрегации и седиментации.
Достижение поставленной перед ПНИ цели позволит снизить себестоимость конечного продукта, решить актуальные проблемы фотоники, медицины и электроники, а также позволит повысить конкурентоспособность продукции отечественной науки и промышленности на мировом рынке.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Для реализации применения частиц магнетита на практике необходимо наличие воспроизводимых способов их получения. Предварительный обзор научной литературы выявил большое количество отечественных работ, посвященных синтезу наночастиц малых размеров (менее 30 нм), однако не было обнаружено работ, посвященных синтезу наночастиц Fe3O4 с размерами 30-200 нм, перспективных для целей медицины, фотоники и электроники, а также разработке способов их получения, позволяющих эффективно контролировать размер, морфологию и распределение по размерам. В зарубежной литературе также существует лишь ограниченное количество публикаций по получению наночастиц размером более 30 нм.
Стоит отметить, что получение сферических наночастиц Fe3O4 диаметром более 30 нм связано с рядом технологических трудностей, что тормозит технологическое развитие их применений во многих отраслях. Как правило, образуются частицы с морфологией, отличной от сферической, или сферические частицы с широким распределением по размерам, что приводит к необходимости разделения фракций частиц. Использование ультразвука или сольвотермального способа получения наночастиц Fe3O4 размером более 30 нм требует высоких энергозатрат и сложного оборудования, что увеличивает стоимость конечного продукта. Технологическая задача, которая ставится перед данным ПНИ - разработать воспроизводимый способ получения сферических наночастиц Fe3O4 заданного размера и с узким распределением по размерам с использованием простого оборудования, что позволит снизить себестоимость конечного продукта, решит актуальные проблемы фотоники, медицины и электроники, а также позволит повысить конкурентоспособность продукции отечественной науки и промышленности на мировом рынке.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Выполнение ПНИ создаст научно-технологический задел сразу в нескольких областях: фотонике, медицине, электронике, лакокрасочной промышленности и др. Разработка способов получения сферических наночастиц Fe3O4 заданного размера и с узким распределением по размерам повысит конкурентоспособность отечественных функциональных наноматериалов на мировом рынке. Использование несложного аппаратурного обеспечения позволит снизить себестоимость конечного продукта (наночастиц Fe3O4). Разработка нового способа получения наночастиц Fe3O4 заданного размера позволит получить результаты, способные к правовой защите.

Текущие результаты проекта:
Были проведены экспериментальные исследования по определению влияния условий синтеза на размер и морфологию частиц магнетита. Частицы магнетита были получены высокотемпературным восстановительным гидролизом соединений железа (III). Данный подход к получению наночастиц заданного размера является перспективным, т. к. он предполагает использование простого аппаратурного оформления и обеспечивает высокий выход продукта. Полученные результаты не уступают результатам, полученным зарубежными исследователями. Преимущества полученных результатов в том, что:
1) синтез проводят за одну технологическую стадию;
2) синтез возможно проводить при более низких температурах;
3) частицы магнетита заданного размера были получены с использованием коммерчески доступных нетоксичных исходных реагентов.
Было показано, что на размер частиц существенно влияет температура синтеза. Так, при увеличении температуры синтеза от 150 °С до 190 °С средний диаметр частиц Fe3O4 увеличивается от 55 нм до нескольких микрометров. При повышении температуры скорость диффузии прекурсоров к поверхности частиц увеличивается, что приводит к образованию частиц большего размера.
Было определено, что для образования сферических частиц магнетита со средним диаметром ~200 нм требуется 2 часа. Увеличение времени синтеза до 8 часов позволило уменьшить распределение по размерам образующихся частиц до ~50 нм. При увеличении концентрации стабилизатора от 2,5 мМ до 10 мМ средний размер частиц уменьшается до 170 нм (рис. 1). Выход магнетита составил ~100 %. Варьируя концентрацию Fe3+ от 0,02 М до 0,01 М и мольное соотношение исходных реагентов, были получены частицы Fe3O4 диаметром от 80 до 250 нм. Предложен вероятный механизм образования сферических частиц магнетита в исследуемой системе и определены их основные магнитные характеристики. Результаты исследования магнитных свойств полученных частиц согласуются с литературными данными.
Экспериментальным путем были получены устойчивые дисперсии частиц магнетита, полученных высокотемпературным восстановительным гидролизом соединений железа (III). Устойчивые дисперсии образуются в случае использования в качестве стабилизатора полиакриловой кислоты.
На основании полученных результатов были разработаны лабораторные методики получения частиц магнетита заданного размера и их дисперсий. Также были разработаны программы и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов, изготовлены экспериментальные образцы наночастиц магнетита, дисперсий частиц, проведены исследовательские испытания этих образцов.