Сотрудники ЛНФ ОИЯИ с помощью методов нейтронного рассеяния изучают структуру магнитных хлопчатобумажных тканей, полученных новым экологичным способом.

Наночастицы оксидов железа: магнитные сорбенты и нанозимы

В последние десятилетия популярность наночастиц не ослабевает: химики, физики и биологи используют их в многочисленных исследованиях, они востребованы в фармацевтической и биотехнологической промышленности, в медицине и экологии. Необычные физические и химические свойства этих крошечных частиц (1-100 нм) связаны с проявлением квантовых размерных эффектов в приповерхностной области. Используются как нативные (с немодифицированной поверхностью), так и иммобилизованные (с дополнительными функциональными покрытиями) наночастицы.

Обрабатывая поверхность наночастиц и внедряя их в другие материалы, ученые получают вещества с нужными свойствами. Особый интерес, бесспорно, вызывают магнитные наночастицы, поведением которых можно управлять с помощью внешнего магнитного поля. Такие магнитные наночастицы оксида железа и материалы на их основе, например, наносорбенты, используют в химической и нефтяной промышленности, для хранения данных, мониторинга загрязнения окружающей среды, оценки качества продуктов питания, биомедицинской визуализации, диагностики и адресной доставки лекарств. Они сочетают свойства органических и неорганических материалов, демонстрируя не только сорбционные свойства, но и возможность управлять процессом поглощения с помощью магнитного поля.

Обнаруженная 15 лет назад биокаталическая активность наночастиц оксида железа привела к новому витку их исследования для возможного применения в качестве искусственных ферментов или нанозимов. Такие наночастицы имитируют поведение ферментов (специальных белков, ускоряющих протекание биохимических реакций на несколько порядков) и могут заменить их в различных приложениях науки и техники. Благодаря пероксидазной активности наночастицы оксида железа можно с успехом использовать, к примеру, при создании дешевых химических и биосенсоров для иммуноанализа.

Как «соткать» нужный магнитный текстиль?

«Большой интерес для исследователей представляет внедрение магнитных наночастиц оксида железа в различные искусственные и хлопчатобумажные ткани. Для этой цели используется осаждение магнитных наночастиц на изделия из различного текстиля, находящихся в контакте с магнитными жидкостями или жидкими суспензиями магнитных наночастиц. Процессом создания магнитных нанокомпозитов можно управлять с помощью внешнего магнитного поля и подбирать необходимую концентрацию и строение осажденного материала. В свою очередь, способ иммобилизации магниточувствительных наночастиц (создания дополнительных функциональных покрытий, модифицирующих поверхность наночастиц) позволяет сравнительно легко выделять их из больших реакционных объемов и труднообрабатываемых образцов», - рассказал Михаил Авдеев, сотрудник ЛНФ ОИЯИ, который представляет международную исследовательскую команду*.

Как создать магнитный текстиль из хлопчатобумажной ткани? Для этого ученые внедряли наночастицы магнетита и их агрегаты в хлопчатобумажную ткань двумя способами. В первом случае ткань обработали магнитной жидкостью, стабилизированной хлорной кислотой в метаноле, и высушили. Во время второй процедуры синтез наночастиц оксида железа проводили в жидком растворе в присутствии текстиля, сопровождая воздействием микроволнового излучения с последующей сушкой (Рис. 1).

Рис. 1. Хлопчатобумажный текстиль, модифицированный наночастицами магнитных оксидов железа двумя способами: (верхний ряд) обработка текстиля магнитной жидкостью, стабилизированной хлорной кислотой в метаноле; указана концентрация оксида железа в исходной магнитной жидкости; (нижний ряд) синтезе наночастиц оксида железа в жидком растворе в присутствии текстиля с дополнительным воздействием микроволнового излучения; указана массовая доля сульфата железа в исходном водном растворе.

 

Производство магнитных нанокомпозитов подразумевает их тщательное исследование, так как любые структурные изменения наночастиц влияют на свойства новых материалов. Для этого исследователи привлекают весь арсенал доступных методов. Ученые ОИЯИ вместе с коллегами для исследования структуры синтезированного магнитного текстиля использовали методы рентгеновского и нейтронного анализа (рис. 2). Эксперименты по малоугловому нейтронному рассеянию они провели на спектрометре ЮМО базовой установки ОИЯИ ИБР-2, а данные малоуглового рентгеновского рассеяния получили на источнике синхротронного излучения DESY (ФРГ).

Рис. 2.1. Структурная характеризация хлопчатобумажного текстиля с внедренными в него наночастицами оксидов железа: изображения сканирующего электронного микроскопа для текстиля, модифицированного с применением микроволнового излучения; использовался исходный 20% водный раствор сульфата железа (увеличение в 400, 12000 и 40000 раз);

Рис. 2.2. Структурная характеризация хлопчатобумажного текстиля с внедренными в него наночастицами оксидов железа:  экспериментальные кривые малоуглового рассеяния рентгеновского и нейтронного излучений для исходного и модифицированного текстиля;

Рис. 2.3. Структурная характеризация хлопчатобумажного текстиля с внедренными в него наночастицами оксидов железа: схематичное представление структурной организации магнитного текстиля, приготовленного двумя разными способами.

«Нами исследовался осажденный на ткани нанозим: полученные структурные данные связывались с магнитными свойствами тканей», - объяснил Михаил Авдеев. По результатам малоуглового рассеяния с использованием различных контрастных возможностей рентгеновского и нейтронного излучений ученые выявили отличающиеся микро- и наноструктуры в двух видах созданного магнитного текстиля. Каталитическая активность, подобная пероксидазной, у полученных тканей также оказалась различной. Ее определяли по обесцвечиванию стандартного раствора кристаллического фиолетового с субстратом (N-сульфатная соль) в присутствии перекиси водорода (рис. 3).

Рис. 3. Демонстрация пероксидазоподобной активности магнитного текстиля с использованием DPD в качестве субстрата N,N-диэтил-p-фенилендиамина (DPD). Слева направо: А – контрольный раствор; B - контрольный раствор с хлопчатобумажным текстилем; C, D – раствор с образцами модифицированного текстиля, приготовленных с помощью микроволнового излучения (концентрация сульфата железа в исходном растворе 20% и 10%); E,F- раствор с образцами модифицированного текстиля, приготовленных с помощью магнитных жидкостей на метаноле (концентрация оксида железа в исходном растворе 10 мг/мл и 1 мг/мл).

 

Простота внедрения наночастиц оксидов железа в ткань и невысокая стоимость используемых материалов открывают широкие возможности для их применения, например, в качестве магнитных фильтров, для обесцвечивания и разложения органических красителей и загрязнителей, считают ученые.

* I.Safarik, J.Prochazkova, M.A.Schroer, V.M.Garamus, P.Kopcansky, M.Timko, M.Rajnak, M.Karpets, O.I. Ivankov, M.V. Avdeev, V.I. Petrenko, L.Bulavin, K.Pospiskova, Cotton Textile/Iron Oxide Nanozyme Composites with Peroxidaselike Activity: Preparation, Characterization, and Application, ACS Applied Materials & Interfaces 2021, 2021, 13, 23627−23637. https://doi.org/10.1021/acsami.1c02154