Полые наночастицы металлов сейчас используются во многих областях. Химики применяют их в качестве катализаторов для различных реакций, в том числе для дегидрирования ― одного из наиболее важных процессов в нефтехимии. Также они используются для адресной доставки лекарств и их контролируемого высвобождения. Кроме того, на полых наночастицах обнаружены уникальные оптические эффекты. 

«В фотонике на наночастицах металлов наблюдают такие эффекты, как плазмонный резонанс, необходимый для увеличения сигнала при спектроскопии и повышения чувствительности приборов, ― рассказывает магистрант химико-биологического кластера Университета ИТМО Александра Фальчевская. ― Еще одно потенциальное применение ― в медицине, где популярна идея адресной доставки лекарственных препаратов, в том числе путем инкапсулирования их в металлические полые наночастицы».

Александра Фальчевская
Александра Фальчевская

Традиционно ученые экспериментировали в основном с полыми наночастицами так называемых благородных металлов: палладия, платины, серебра, золота. Они меньше окисляются и вообще менее химически активны. «Однако в последние лет пять больше заметна тенденция к использованию неблагородных металлов, ― продолжает Александра Фальчевская, ― их больше, они дешевле и при этом не уступают благородным. Химия же переходных  металлов зачастую шире и богаче ― ведь на них можно обнаружить больше различных эффектов».

Трудности получения

Получить наночастицы вовсе не просто, для этого существует множество разных методов. Частицы можно получать химически, в том числе с помощью золь-гель метода. Но этот путь предполагает множество промежуточных реакций. Другие ― физические ― методы предполагают использование дорогостоящих лазерных или других установок. Лазерный импульс бьет по подложке из нужного металла, в результате чего от нее «отрываются» наноразмерные объекты. 

Химико-биологический кластер
Химико-биологический кластер

Еще сложнее сделать наночастицы полыми. Для этого чаще всего используют темплатные методы, когда на сферическую частицу или, по-научному, темплат, «лепят» нужный материал, а потом темплат вытравливают. 

«Этот метод не очень удобен, а для получения именно металлических частиц он не подходит вовсе. Есть и другие способы, например, самосборка одной капсулы из множества более мелких частиц. Все они по-своему хороши, но опять же для получения различных видов именно металлических конструкций подходят мало. Методами лазерной абляции иногда можно получить металлические нанокапсулы, однако это требует сложного и дорогостоящего оборудования», ― объясняет Александра Фальчевская. 

Растворная химия

Ученые Университета ИТМО предложили альтернативный способ получения металлических наночастиц из переходных металлов, основанный на использовании реакции гальванического замещения. Если положить сравнительно активный металл, скажем, железную ложку, в раствор соли металла, находящегося правее в ряду напряжений (например, меди), то через некоторое время можно наблюдать интересный эффект. Атомы железа начинают вытеснять медные ионы из раствора ― те, в свою очередь, начинают покрывать ложку.

Получение наношариков металла. Иллюстрация из статьи.
Получение наношариков металла. Иллюстрация из статьи.

«Если мы возьмем наношарик металла и поместим в раствор соли меди, то будет происходить окислительно-восстановительная реакция, ― рассказывает Александра Фальчевская. ― Частица и раствор будут обмениваться электронами: медь будет забирать электроны из наношарика, окисляя его. Металл из наношарика будет переходить в раствор, а металл из соли будет восстанавливаться, переходить в твердую форму и оседать на границе раздела фаз ― собственно, на поверхности шарика».

Таким образом, вокруг исходной частицы образуется медная нанокапсула с полостью внутри ― на том месте, где находился исходный шарик.    

Жидкий металл

Для своих экспериментов ученые использовали не обычные металлы вроде железа, а галлий и его сплавы с индием. Это так называемый жидкий металл, который имеет очень низкую температуру плавления. Так, кусочек галлия можно расплавить, буквально сжав его в кулаке.

Жидкие металлы
Жидкие металлы

Благодаря этому свойству, получать исходные наночастицы галлия очень просто. Достаточно взять обычную каплю металла, нагретого до 30 градусов цельсия и воздействовать на нее ультразвуком, чтобы получить микро- и нанокапли.  

Еще одно преимущество жидких металлов в том, что они имеют сравнительно низкую активность. Поэтому подобный опыт можно проводить потенциально с двумя десятками различных металлов, находящихся в таблице электрохимической активности выше галлия и индия.

Жидкие металлы
Жидкие металлы

«Можно получить как монометаллические полые частицы, так  би-, и даже триметаллические ― когда в одной капсуле будет несколько разных металлов. Более того, удалось получить частицы различной морфологии. С использованием дополнительных веществ мы можем контролировать, чтобы частицы не были гладкими, или вовсе имели бы отростки для увеличения общей поверхности частицы. Можем делать их более или менее пористыми, менять толщину стенки капсулы. Это универсальный и вариабельный метод. Он позволит любому исследователю получить капсулу заведомо известной формы и размера для исследований, которые он проводит», ― отмечает Александра Фальчевская.

Aleksandra S. Falchevskaya, Artur Y. Prilepskii, Sofia A. Tsvetikova, Elena I. Koshel, and Vladimir V. Vinogradov. Facile Synthesis of a Library of Hollow Metallic Particles through the Galvanic Replacement of Liquid Gallium. Chemistry of Materials, 2021/10.1021/acs.chemmater.0c03969

Перейти к содержанию