Что такое наночастицы магнетита и как их получают

Наночастицы магнетита — это очень маленькие частички, состоящие из железа и кислорода, которые в отличие от большого материала с тем же составом обладают другими характеристиками. За счет наноразмерности у них появляются сильные магнитные свойства и эффект запоминания.

Существуют разные физические способы получения этих наночастиц. Первый подход — «сверху вниз»: железосодержащий макрообъект перемалывается на более мелкие частицы. Но при использовании такого метода сложно контролировать размер частиц. Второй — «снизу вверх», когда на кристалликах магнетита вырастает наноразмерное вещество.

«Новизна нашего исследования в том, что мы научились химическим способом получать разные фазы оксида железа. При одинаковых условиях синтеза (температуре, времени, скорости нагрева) меняем только спирт или содержание воды, в зависимости от которых и появляются разные свойства частиц», — рассказывает Мария Михайлова, инженер научного центра SCAMT.

Как придумали синтез со спиртом

Ученые изучали различные методики, описывающие синтез с многоатомными спиртами. В своем исследовании они решили взять более простые, например этанол и пропанол. Целью было повысить биологическую совместимость магнетита с клетками организма человека и получить небольшие кристаллики вещества.

В результате в одном из экспериментов удалось создать наночастицы. Но потом у исследователей долго не получалось повторить синтез. Позже они выяснили, что все дело в предварительной обработке лабораторной посуды, прекурсоров и спиртов для эксперимента: удалении следов влаги, перекристаллизации от загрязнений, замены воздуха на аргон. Обработка влияла на то, какие продукты получаются в итоге. Тогда у ученых и появилась идея при незначительных отклонениях от исходного синтеза получать разные фазы, которые можно контролировать самим.

В исследованиях других ученых для остановки роста частиц на определенном этапе обычно заливают олеиновые кислоты или эфиры, что в итоге сильно сказывается на совместимости вещества с биологическими объектами. Преимущества нового синтетического метода ученых ИТМО в том, что в реакциях они используют простые вещества и получают чистый кристаллический продукт, который не нуждается в ультразвуковой обработке.

Где применяют результаты исследования

Наночастицы магнетита используют для создания прототипов мемристорного устройства. Оно имитирует работу синапсов — контактов между нейронами мозга человека. Синтезированный материал может передавать сигналы, запоминать это состояние и потом при повторном прохождении пускать их обратно.

«Наш синтез больше подходит для лабораторных исследований, так как позволяет получать разные фазы, просто меняя спирт. Масштабировать это для промышленности достаточно сложно. В ней используют чаще физические методы, нежели химические, как у нас», — комментирует Мария Михайлова.

В будущем ученые надеются воздействовать напрямую на клетки кожи через мемристорные устройства, подавая с определенным интервалом некоторые фазы тока, напряжения, — то есть наладить контакт между электрическим устройством и живым организмом. Это позволит лучше залечивать раны, делая специальные повязки. Кроме того, мемристорные устройства можно будет применять для лечения нейрокогнитивных болезней, например Альцгеймера, за счет восстановления утраченных функций мозга.

Подробнее об исследовании: Mariia A. Mikhailova, Ivan Yu. Chernyshov, Georgii A. Illarionov, Denis S. Kolchanov, Oleg A. Kuchur, Alexandr V. Vinogradov, Sofia M. Morozova,  Maxim I. Morozov, Revisiting syntheses of Fe3O4 nanoparticles in water and lower alcohols and their resistive switching properties (Journal of Materials Chemistry C, 2021).