Водна дисперсія наночастинок

Корисна модель відноситься до області нанотехнологій і може бути використана для виготовлення каталізаторів, сорбентів, металевого пального, косметичних засобів, матеріалів з біоцидними властивостями, лікарських препаратів, мікродобрив нового покоління, харчових і біологічно активних добавок, медичних виробів, а також для отримання: рідкофазних композицій, що володіють бактерицидними, каталітичними, антикорозійними і магнітними властивостями; базових розчинів для створення рідкофазних, включаючи водні дисперсії і масляні емульсії, і твердофазних нанокомпозитів із заданими властивостями, використовуваних в різних областях науки і техніки, біотехнології, в медицині, в сільському господарстві, наноелектроніці тощо. Згідно рекомендації 7-ої Міжнародної конференції з нанотехнологій (Вісбаден, 2004г) нанодисперсії, зважаючи на велику перспективність їх застосування, виділені в окремий клас наноматеріалів серед нанокластерів, нанопористих структур, нанотрубок і нановолокон. Серйозною проблемою при синтезі нанодисперсій є те, що існуючі способи їх отримання використовують щонайменше один токсичний або небажаний хімічний реагент на основних стадіях синтезу, до яких відносяться середовище розчинення, поновлюючий агент і речовина, використовувана для стабілізації. У більшості технологій надмірно покладаються на використання органічних розчинників. В результаті виходить, що наночастинки, отримані за допомогою вказаних розчинників, не є біосумісними, і тому є проблемним їх використання в біологічних областях застосування. Багато з поновлюючих агентів, таких, як борогідрити, диметилформаміди, гідразини є надзвичайно високоактивними хімічними реагентами і небезпечними як екологічно, так і біологічно. Найбільш істотні проблеми виникають на стадії стабілізації. Майже всі стабілізуючі або покриваючі агенти, використовувані у формі полімерів і хімічних агентів, є екологічно і біологічно небезпечними речовинами. Наночастинки є надзвичайно активними, оскільки координаційна сфера поверхневих атомів в наночастинці є ненасиченою, і це може призводити до агломерації наночастинок для мінімізації повної поверхні або мінімізації міжфазної енергії системи. Вказану проблему долають за допомогою пасивації відкритих поверхневих атомів захисними групами. Тому були розроблені хімічні способи для здійснення пасивації і стабілізації наночастинок. Бажано, щоб наночастинки були захищені від навколишнього середовища, але, як і раніше зберігали свої властивості. Проте виявилось, що властивості наночастинок мають значну залежність від технології їх отримання і від виду використовуваних речовин для їх пасивації і стабілізації. Зазвичай використовувані хімічні стабілізатори включають поліфосфат натрію і аніонні агенти, такі, як тіолати. Тому, наноматеріали, отримані за допомогою хімічних способів, практично завжди несуть в собі не кращу «спадковість» вихідних хімічних сполук, що робить проблемним їх використання в галузях з жорсткими вимогами до чистоти використовуваних матеріалів. Одним з шляхів вирішення цієї актуальної проблеми нанотехнологій є розробка нових технологій отримання нанодисперсій, в яких стабілізація наночастинок повинна здійснюватися природним екологічно чистим розчинником, яким є ВОДА. Відома дісперсія наночастинок металу, що містить частинки сполуки рідкоземельного елементу, кислоту і розчинник, вибраний з неполярних вуглеводнів, причому щонайменше 90% частинок є монокристалічними, а сама дісперсія може бути отримана реакцією солі рідкоземельного елементу з основою в лужному середовищі [Патент России №2242275. Органическая коллоидная дисперсия монокристаллических частиц соединения редкоземельного элемента. МПК В01J13/00, C10L1/10. Опубл. 2004.12.20]. Недоліком відомої дісперсії є обмежена область застосування, що відноситься до присадок до палива для двигунів внутрішнього згорання. Відома дісперсія наночастинок металу, що містить частинки сполуки заліза в аморфній формі, що мають розміри в діапазоні від 1нм до 5нм і, щонайменше, один амфіфільний агент [Патент России №2277510. Коллоидная органическая дисперсия частиц железа, способ ее получения и ее применение в качестве добавки к топливу для двигателей внутреннего сгорания. МПК С01G 49/00, B01J 13/00, C10L 10/06. Опубл. 2006.06.10]. Недоліком відомої дісперсії є обмежена область застосування. Відома водна дисперсія наночастинок металу або суміші металів у воді, що містить металеві наночастинки, в якій розміри наночастинок складають від1нм до 100нм, метали вибрані з групи, що складається з срібла, золото, міді, нікелю, заліза, паладію, платини, молібдену, кобальту, родію іридію, ванадію, танталу, ніобію, титану, цинку, марганцю, магнію, алюмінію, яка є двофазною системою, що складається з металевих наночастинок і діелектричної рідини, при цьому міцелами колоїдного розчину є хелатні комплекси, утворені електрично зарядженими металевими наночастинками, які хелатовані полярними молекулами діелектричної рідини [Патент України №26599. Колоїдний розчин металу або суміші металів. МПК (2006) B01J 13/00, C01G 49/00. Опубл. 25.09.2007]. Недоліком відомої водної дисперсії наночастинок є те, що міцели нанодисперсії містять наночастинки металів і не мають в своєму складі наночастинок інших електропровідних матеріалів, наприклад, графіту або напівпровідникових матеріалів, наприклад, селену. Відома дисперсія наночастинок, що містить мембраноутворюючі молекули, в якості яких використовують фосфоліпід, гідратований або частково гідратований фосфоліпід, лізофосфоліпід, церамід або їх суміші, емульгатор, в якості якого використовують поліоксиетиленового типу, насичені і ненасичені C8-C18-алкілсульфати, лужний метал, амонієві або амінові солі С8-С20-жирных кислот, С8-С20-алкансульфонати, фосфорати жирних спиртів, соли колінової кислоти, інвертоване мило (кватернізоване), часткові складні ефіри жирних кислот сорбітану, складні цукрові ефіри жирних кислот, часткові гліцериди жирних кислот, алкілмальтозиди, алкілглюкозиди, С8-С18-бетаїни, C8-C18-сульфобетаїни або С8-С24-алкіламідо-С1-С4-алкіленбетаїни, протеши, складні полігліцеринові ефіри жирних кислот, складні пропіленгліколеві ефіри жирних кислот, лактати жирних кислот або суміш цих речовин, ліпофільний компонент, в якості якого використовують ді- або тригліцерид, мінеральне масло, силіконове масло, віск, жирний спирт, гербетовий спирт або його складний ефір, ліпофільний функціональний фармацевтично-активний агент або суміш цих речовин, а наночастинки в нанодисперсії мають середній діаметр 50нм і менше [Заявка России №99109958. Использование нано-дисперсий в составах для фармацевтического применения. МПК 7 А61К9/20. Опубл. 2001.03.27]. Недоліком відомої нанодисперсії є складність технології її отримання, а також низька екологічна чистота, оскільки в ній міститься велика кількість хімічних речовин. Відома магнітна нанодисперсія на основі води і магнітних наночастинок, диспергованих і стабілізованих в ній, в якій магнітні наночастинки складаються з магнітних ядерних частинок з розмірами від 3 до 300нм і оболонки загальної формули М[АР, С, Bq], де М є магнітними ядерними частинками, А є реакційними групами, В є біологічно активними групами і С є циклодекстринами, що складаються з 1,4-зв’язаних одиниць глюкози (С6Н7О5) m[(3H)m(p+q)], де m = від 6 до 12, р є кількістю груп А, рівне від 1 до 3m, і q є кількістю груп В, рівне 3m-р [Заявка России №2004111602. Магнитная нанодисперсия, содержащая циклодекстрины, и способ ее получения. МПК 7 С09С1/00. Опубл. 2005.10.20]. Недоліком відомої водної магнітної нанодисперсії є складність технології її отримання, а також низька екологічна чистота магнітної нанодисперсії, оскільки в оболонках наночастинок в якості речовини-стабілізатора містяться реакційні групи, біологічно активні групи і цикл о декстрини. Це звужує область її застосування. Відома водно-органічна дисперсія наночастинок, що містить наночастинки металу з розмірами, рівними 300нм або менше, додаткові відновники: гідразин, борогідрид натрію, кверцетин, а також стабілізатори, наприклад полімери і розчин іонів металів, в якій наноструктурні частинки містять металеві, біметалічні наночастинки, наноструктури сульфідів, оксидів металу. При цьому метал вибраний з групи, що складається з срібла, золота, міді, заліза, платини, паладію, цинку, кобальту, марганцю, титану, нікелю, а іони металів є композицією з двох металів з групи: Ag/Cu, Ag/Fe, Fe/Ni, Fe/Co, Fe/Cu, Pd/Pt, Pd/Ag, в якій молярну концентрацію солі металу у водному, водно-спиртовому або водно-аміачному розчині солі вибирають в інтервалі концентрацій (М) від 0,003 до 2,0 або від 2.10-4 до 10.10-3 , а сіль металу включає нітрат, сульфат, перхлорат, ацетат, форміат металу [Заявка России №2006101449. Препарат наноструктурных частиц металлов и способ его получения. МПК B22F9/24 (2006.01). Опубл. 2007.07.27]. Недоліком відомої нанодисперсії є низька екологічна чистота, оскільки в ній в якості речовини-стабілізатора містяться хімічні речовини. Найбільш близькою до пропонованої є водна дисперсія наночастинок, що містить наночастинки з розмірами, рівними 300нм або менше, один або декілька етиленоненасичені мономери, що полімеризуються, і один або декілька полімери, в якій наночастинки містять композитні наночастинки, в якій фаза наночастинок містить органічні і/або неорганічні наночастинки, вибрані з колоїдного діоксиду кремнію, летючого кремнеземного пилу, аморфного діоксиду кремнію, оксиду алюмінію, колоїдного оксиду алюмінію, діоксиду титану, оксиду заліза, оксиду цезію, оксиду ітрію, колоїдного оксиду ітрію, колоїдного оксиду цирконію, аморфного оксиду цирконію і їх сумішей, в якій органічні наночастинки містять технічний вуглець, в якій наночастинки в дисперсії присутні в кількості в діапазоні від 0,1 до 50мас. % при розрахунку на масу сукупної твердої фази, присутньої в дисперсії, в якій полімер включає полімер, вибраний з акрилових полімерів, полімерних поліуретанів, полімерних складних поліефірів, полімерних простих поліефірів, полімерів на основі кремнію, їх сополімерів і їх сумішей або додатково включає амінопласт і/або поліізоцанат [Заявка России №2006101872. Способ получения водной дисперсии, водная дисперсия микрочастиц, включающих фазу наночастиц, и содержащие их композиции для нанесения покрытий. МПК C08F2/16 (2006.01). Опубл. 2006.06.27]. Недоліком відомої водної дисперсії наночасток є низька екологічна чистота, оскільки в ній міститься велика кількість хімічних речовин. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення екологічної чистоти нанодисперсії і розширення області її застосування. Це досягається за рахунок гідратації наночастинок, що дозволяє отримати стійку водну дисперсію наночастинок без застосування додаткових речовин-стабілізаторів і розширити область її застосування за рахунок високої екологічної чистоти, оскільки в середовищі розчинення не застосовуються хімічні речовини. Запропонована, як і відома водна дисперсія наночастинок має концентрацію наночастинок 0,001-1000мг/л, розміри наночастинок 1000нм і менше, а речовина наночастинок вибрана з групи, що включає графіт, кремній, срібло, золото, мідь, нікель, паладій, платину, молібден, кобальт, кадмій, родій, рубідій, гафній, реній, осмій, іридій, ванадій, вісмут, залізо, марганець, хром, цинк, олово, цирконій, титан, алюміній, магній, галій, сурму, селен, тербій, празеодим, самарій, гадоліній, церій, лантан, ітрій, неодим, вольфрам, свинець, тантал або їх оксиди, або їх карбіди, або їх нітриди, і, відповідно до цієї пропозиції, є трифазною системою, що складається з води, наночастинок речовини або групи речовин, іонів речовини або групи речовин, в якій відношення маси іонів до маси наночастинок не перевищує 10-3, а наночастинки гідратовані шляхом формування навколо них наногідратних оболонок, що складаються з молекул води, при цьому наночастинки отримані диспергуванням гранул речовини або групи речовин імпульсами електричного струму у воді. Водна дисперсія наночастинок є трифазною системою, що складається з води, наночастинок речовини або групи речовин, іонів речовини або групи речовин. Це підвищує екологічну чистоту нанодисперсії, оскільки в ній немає фази, що містить токсичні або небажані хімічні реагенти. У водній дисперсії наночастинок відношення маси іонів до маси наночастинок не перевищує 10-3. Це також підвищує екологічну чистоту нанодисперсії за рахунок незначної кількості іонів в ній. Сучасні наукові дослідження показали, що наночастинки металів набагато менш токсичні в порівнянні з іонами металів. Так, наприклад наночастинки міді в 7 разів менш токсичні, наночастинки цинку в 30 разів менш токсичні, наночастинки заліза в 40 разів менш токсичні [див. Арсентьева И.П. Использование биологических активных препаратов на основе наночастиц металлов в медицине и сельском хозяйстве. Доклад на совещании: «Индустрия наносистем и материалы: оценка нынешнего состояния и перспективы развития». Москва, Центр «Открытая экономика», Опубл. 07.02.2006, http ://www.strf.ru/client/doctrine.aspx]. Наночастинки в дисперсії гідратовані шляхом формування навколо наночастинок наногідратних оболонок, що складаються з молекул води. Це підвищує стійкість нанодисперсії і робить її екологічно чистою. Гідратування здійснюють за допомогою створення навколо наночастинок наногідратної оболонки в процесі диспергування гранул речовини імпульсами електричного струму. Наночастинки отримують диспергуванням гранул речовини або групи речовин імпульсами електричного струму у воді [див. Патент України на корисну модель №23550. Спосіб ерозійно-вибухового диспергування металів. МПК B22F 9/14. Опубл.25.05.2007. Бюл. №7.]. Це дозволяє отримати екологічно чисту нанодисперсію, а також за рахунок високої продуктивності електроімпульсного диспергування понизити вартість нанодисперсії, а за рахунок високої дисперсності наночастинок підвищити активність наночастинок в дисперсії. Водну дисперсію наночастинок отримують таким чином. Гранули речовини піддають диспергуванню у воді [див. Патент України на корисну модель №23550. Спосіб ерозійно-вибухового диспергування металів. МПК B22F 9/14. Опубл. 25.05.2007. Бюл. №7]. При проходженні через ланцюжки гранул імпульсів електричного струму, в яких енергія імпульсів перевищує енергію сублімації випарованої речовини, в точках контактів гранул одна з одною виникають іскрові розряди, в яких здійснюється вибухоподібне диспергування речовини. Ділянки поверхні гранул в зонах іскрових розрядів плавляться і вибухоподібно руйнуються на найдрібніші нанокраплі і пару. Розплавлені нанокраплі речовини, знаходячись у вільному польоті, набувають сферичної форми. Продукти руйнування охолоджуються в деіонізованій воді, де здійснюється фіксація сферичної форми наночастинок. У деіонізованій воді накопичуються наночастинки в зваженому стані. Оскільки середовищем диспергування є деіонізована вода, то кількість іонів в нанодисперсії дуже незначна. Це підвищує екологічну чистоту дисперсії. В результаті нанодисперсія складається тільки з трьох фаз - води, наночастинок і незначної кількості іонів речовини. При диспергуванні гранул виникають свіжоутворені поверхні, які володіють властивістю випускати потік електронів [див. Открытие №290 от 7 июня 1986г. Конюшая Ю.П. Открытия советских ученых. Часть 1. Физикотехнические науки. Изд-во МГУ. 1988, с.372-374]. Емісія електронів є результатом високої щільності зарядів свіжоутворених поверхонь. При розділенні поверхонь під час руйнування матеріалу 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». Оскільки молекули води є диполі, то вони за рахунок електростатичного поля обволікають електрично заряджені наночастки, утворюючи наногідратні оболонки навколо наночастинок. За рахунок гідратування наночастинок диполями води нанодисперсія стає стійкою, і наночастинки не потребують спеціальних речовинстабілізаторів хімічної природи. Стійкість наногідратній оболонці додають кулонівські сили, що виникають між поверхнею заряджених наночастинок і диполями води. Це підвищує екологічну чистоту нанодисперсії і розширює область її застосування.