Спосіб отримання гідратованих наночастинок “ерозійно-вибухова нанотехнологія отримання гідратованих наночастинок”

Корисна модель відноситься до області нанотехнологій і може бути використана для отримання наноматеріалів, що можуть використовуватись в якості транспортних систем для перенесення металів через клітинні мембрани, для виготовлення каталізаторів, металевого пального, косметичних засобів, матеріалів з біоцидними властивостями, лікарських препаратів, мікродобрив нового покоління, харчових і біологічно активних добавок, медичних виробів, матеріалів медичного і косметичного призначення, в різних областях науки і техніки, біотехнології, в медицині і наноелектроніці тощо. Наночастинки проявляють поверхневий і міжповерхневий ефекти, квантові ефекти і мають велику площу поверхні і велику кількість атомів на поверхні. Поверхневий ефект і міжповерхневий ефект посилюються із зменшенням розміру частинок. Велика площа поверхні і велика кількість атомів на поверхні значно збільшують активність наночастинок. Завдяки наномасшабному ефекту і поверхневому ефекту наночастинки різного розміру викликають зміну електронного спину і розподілу спектру енергії електронів. Квантовий ефект наночастинок проявляється в дискретності енергетичних станів наночастинок. Для використання наночастинок в якості ефективної транспортної системи для перенесення різноманітних біогенних металів через клітинні мембрани необхідно забезпечити біосумісність наноматеріалу. Для цього наноматеріал не повинен мати токсичних домішок. Ідеальною наносистемою є об’єднання наночастинок з молекулами води. Такий наноматеріал можна, наприклад, додавати в розчини, в яких зберігаються або вирощуються клітки або тканини. У разі багатоклітинних організмів, особливо ссавців, можна готувати наноматеріали у вигляді харчових продуктів, напоїв, мазей, кремів, шампунів, засобів догляду за волоссям, очних крапель, вушних крапель, рідин для полоскання рота, зубних паст, губної помади, дезодорантів, носових розчинів і аерозолів, супозиторій, шкірних мазей, ін’єкційних розчинів і т.д. Відомі способи отримання наночастинок обробкою розчинів відповідних хімічних сполук, що містять метал, різними відновниками, наприклад бороводнем [ЕРВ, заявка №369546, кл. В01J13/00, 1990] або тринатрійфосфатом [Sermon, Thomas. "Andem. Chem", 1987, 99, N9, s.949 951]. Недоліком цих способів є те, що поверхні колоїдних металевих наночастинок містять катіони і аніони продуктів реакції відновлення, для звільнення від яких потрібна додаткова операція, наприклад, діалізу. Відомий спосіб отримання наночастинок, в яких розміри частинок складають від 1нм до 15мкм, а метал вибраний з групи, що складається з срібла, золота, міді, нікелю, паладію, платини, молібдену, кобальту, родію, іридію [Заявка России №2002111662. Коллоидные палочковидные частицы как наноштриховые коды. МПК В32В5/16. Опубл. 2003.12.27]. Недоліком способу є трудність отримання стійких водних колоїдних розчинів на основі таких частинок. Для підвищення стійкості потрібне додаткове введення речовин-стабілізаторів, що призводить до забруднення наноматеріалу. Відомий спосіб отримання наночастинок електричним методом [Э.М. Натансон, Коллоидные металлы, Киев: издательство Академии наук УССР, 1959г., стр.19-24; 91-98]. Спосіб здійснюється в дві стадії і заснований на електролізі і подальшому розчиненні металу. Катодний осад металу отримують електрохімічним відновленням водних розчинів сульфату або хлориду металу на катоді при концентрації солі металу 20-20,2г/л. Для розчинення гідроокису металу, що утворюється при електролізі, у водний розчин солей металу додають солі амонія і/або мурашиної кислоти. Електроліз проводиться у ванній, що має два шари - водний і масляний, межа розділу між якими підтримується на постійному рівні. Катод з осадом, що виділився на ньому, періодично переноситься з водного шару розчину в масляний органічний шар, де рихлий порошкоподібний осад металу змивається з електроду і диспергується. Недоліком способу є низька продуктивність і низька якість наночастинок унаслідок їх забруднення сторонніми домішками. Відомий спосіб отримання наночастинок електричним методом - шляхом електрохімічного диспергування металу електродів ( анода і катода) при зміні швидкості процесу розчинення металу в умовах циклічної зміни полярності електродів кожні 10сек, при зниженні напруги з 1,8 до 0,2В, при використанні водного розчину органічної сполуки з концентрацією 0,1-100ммоль в літрі. При цьому метали вибирають з групи, що складається з Ag, Au, Co, Fe, Ni [Патент России №2238140. Способ получения коллоидных растворов металлов. МПК7 В01J13/00. Опубл. 20.10.2004]. Недоліком способу є низька продуктивність, обумовлена дуже низькою потужністю електричного струму, що протікає через метал, а також низька якість наночастинок унаслідок їх забруднення сторонніми домішками. Відомий спосіб отримання гідратованих наночастинок, заснований на електроерозійному диспергуванні поверхні металевих гранул і електродів електричними розрядами у воді в реакторі, при цьому вода має питому електропровідність не більше 0,1мкСм/см, і воду із зваженими наночастинками, що мають розміри менше 100нм, багато разів направляють в реактор, не допускаючи збільшення концентрації іонів в розчині, і електризують наночастинки в полі електричних розрядів з високим градієнтом потенціалу, а над поверхнею колоїдного розчину створюють атмосферу з інертного газу, наприклад, аргону. [Патент України на корисну модель №24391. Спосіб отримання колоїдних розчинів наночастинок металів. МПК(2006) B01J13/00. Опубл.25.06.2007, бюл. №9, 2007р.]. Відомий спосіб не дозволяє отримувати наночастинки, які мають високу поверхневу щільність електричного заряду, що не дозволяє отримувати гідратовані наночастинки, що володіють високим ступенем стійкості. Відомий спосіб отримання гідратованих наночастинок, заснований електризації наночастинок в електричному полі шляхом приєднання до поверхні наночастинок електронів, емітованих в результаті тунельного ефекту надмалими поверхнями провідника з розмірами переважно менше мікрона при напрузі в діапазоні від -2 до -29кВ, при цьому електрони приєднуються до наночастинок "Nm" різного розміру за допомогою такої реакції: e+Nm® N-m [Патент RU №2290969. Устройство и способ получения отрицательно заряженных наночастиц. МПК(2006) A61N1/44, H01J19/02. Опубл. 2007.01.10]. Відомий спосіб не дозволяє отримувати гідратовані наночастинки з високою поверхневою щільністю електричного заряду, оскільки для електризації використовується тунельний ефект, який не здатний забезпечити високу щільність електронів в зоні знаходження наночастинок. Це не дозволяє отримувати гідратовані наночастинки, що володіють високим ступенем стійкості. Найбільш близьким до пропонованого є спосіб отримання гідратованих наночастинок, що заснований на диспергуванні провідника імпульсами електричного струму і електризації наночастинок в електричному полі шляхом приєднання до поверхні наночастинок електронів, емітованих надмалими поверхнями провідника з розмірами переважно менше мікрона, в якому електризацію наночастинок в електричному полі здійснюють одночасно з ерозійно-вибуховим диспергуванням провідника за допомогою вибухової електронної емісії з свіжоутворених мікроповерхонь металевих гранул, що диспергуються [Патент України №29855. Спосіб отримання негативно заряджених наночастинок "ерозійно-вибухова нанотехнологія отримання негативно заряджених наночастинок" МПК(2006) A61N1/40, B01J13/00, H01J19/00. Опубл 25.01.2008]. Недоліком відомого способу отримання гідратованих наночастинок є те, що отримані наночастинки мають малу поверхневу енергію із-за неврегульованого розташування молекул води в наногідратній оболонці навколо наночастинок, що знижує стійкість гідратованих наночастинок. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення стійкості гідратованих наночастинок і розширення області їх застосування. Це досягається за рахунок створення електричного заряду в зовнішньому шарі наногідратних оболонок, що покривають наночастинки. Запропонований, як і відомий спосіб отримання гідратованих наночастинок заснований на диспергуванні електропровідних матеріалів імпульсами електричного струму у воді і електризації наночастинок в електричному полі шляхом приєднання до поверхні наночастинок електронів, емітованих надмалими поверхнями провідника за рахунок електронної емісії з свіжоутворених мікроповерхонь гранул, що диспергуються, і приєднанні молекул води до електрично зарядженої поверхні наночастинок і, відповідно до цієї пропозиції, з молекул води утворюють структуровані наногідратні оболонки навколо наночастинок, в яких молекули води за рахунок кулонівських сил орієнтовані протонами до поверхні наночастинок, а атомами кисню на зовнішню поверхню наногідратних оболонок і утворюють негативно заряджений зовнішній шар в структурованих наногідратних оболонках. Молекули води утворюють структуровані наногідратні оболонки навколо наночастинок. Це підвищує стійкість гідратованих наночастинок і розширює область їх застосування за рахунок високої екологічної чистоти гідратованих наночастинок, що містять тільки матеріал наночастинок і воду без додаткових органічних речовинстабілізаторів. Молекули води утримуються навколо наночастинок за рахунок кулонівських сил, що виникають між протонами молекул води і зарядженою поверхнею наночастинки. Це підвищує стійкість гідратованих наночастинок. Високий ступінь електризації поверхні наночастинок забезпечується за допомогою вибухової електронної емісії з свіжоутворених мікроповерхонь металевих гранул при диспергуванні поверхні металевих гранул електричними розрядами [див. Патент України на корисну модель №26345. Спосіб ерозійно-вибухового диспергування металів. МПК B22F9/00. Опубл. 10.09.2007. Бюл. №14]. Молекули води за рахунок кулонівських сил орієнтовані протонами до поверхні наночастинок, а атомами кисню на зовнішню поверхню наногідратних оболонок. Це дозволяє отримати електричний заряд на поверхні наногідратних оболонок, що збільшує поверхневу енергію гідратованих наночасток і підвищує їх біологічну і каталітичну активність. Структуровані і орієнтовані молекули води утворюють негативно заряджений зовнішній шар в структурованих наногідратних оболонках. Це робить гідратовані наночастинки біологічно активними, оскільки створюються умови для легкого заміщення молекул води в наногідратній оболонці молекулами білка. Наногідратні оболонки повністю або частково покривають поверхню наночастинок, що визначається величиною заряду поверхневого заряду наночастинок. Із збільшенням заряду ступінь покриття поверхні наночастинок наногідратною оболонкою збільшується. Це дозволяє управляти ступенем гідратування наночастинок. При високій щільності поверхневого заряду наночастинок молекули води утворюють багатошарові наногідратні оболонки навколо наночастинок, що ще більше підвищує їх стійкість. Спосіб реалізують таким чином. Гідратовані наночастки отримують диспергуванням поверхні металевих гранул, що знаходяться в деіонізованій воді, шляхом пропускання через гранули імпульсів електричного струму [див. Патент України на корисну модель №26345. Спосіб ерозійно-вибухового диспергування металів. МПК B22F9/00. Опубл. 10.09.2007. Бюл.№14]. При проходженні через ланцюжки металевих гранул імпульсів електричного струму, в яких енергія імпульсів перевищує енергію сублімації випарованого металу, в точках контактів металевих гранул одна з одною виникають іскрові розряди, в яких здійснюється ерозійно-вибухове диспергування металу. У каналах розряду температура досягає 10тис. градусів. Ділянки поверхні металевих гранул в зонах іскрових розрядів плавляться і вибухоподібно руйнуються на найдрібніші наночастинки і пару. Наночастинки, знаходячись певний час в потоці електронів за рахунок електронної емісії з свіжоутворених мікроповерхонь гранул, що диспергуються, набувають на своїй поверхні електричного заряду. Ступінь електризації наночастинок залежить від щільності потоку електронів і від розмірів наночастинок. Вибухова електронна емісія створює потужні потоки електронів з свіжоутворених поверхонь [див. Открытие №176 от 24 июня 1976г. Конюшая Ю.П. Открытия советских ученых. Часть 1. Физико-технические науки. Изд-во МГУ. 1988, с.287-288]. При розділенні поверхонь під час руйнування матеріалу металевих гранул здійснюється розділення різнойменних зарядів, що призводить до утворення в областях розривів речовини електричного поля напруженістю до 107В/см. Таке електричне поле вириває електрони з поверхні матеріалу. Це фізичне явище призводять до того, що наночастинки, знаходячись в потоках електронів набувають поверхневого електричного заряду із знаком "мінус". Поверхневий електричний заряд наночастинок в потужніх потоках електронів пропорційний розміру наночастинок, оскільки різні за розміром наночастинки набувають заряду в потоках електронів приблизно одної щільності. Оскільки молекули води є диполі, у яких заряди із знаком «плюс» розташовані на ядрах водню, то вони за рахунок електростатичного поля обволікають електрично заряджені наночастинки металу, утворюючи структуровані наногідратні оболонки. Молекули води утримуються навколо наночастинок за рахунок кулонівських сил, що виникають між протонами молекул води і зарядженою поверхнею наночастинки. Кожна пара електронів на поверхні наночастинки утримує одну молекулу води. Молекули води в наногідратних оболонках орієнтовані протонами до поверхні наночастинок, а атомами кисню на зовнішню поверхню наногідратної оболонки і утворюють негативно заряджений зовнішній шар наногідратної оболонки. Чим більший поверхневий заряд має наночастинка, тим щільніше наногідратна оболонка оточує наночастинку. При високій щільності поверхневого заряду у наночастинок молекули води утворюють багатошарові наногідратні оболонки навколо наночастинок, що ще більше підвищує їх стійкість.