Об исследовании
Большое разнообразие магнитных гелей позволяет использовать их в различных областях: например, в биомедицине — для создания биосенсоров, в химии — в качестве катализаторов. Применение таких материалов зависит от их свойств, а те, в свою очередь, — от структуры материала. Тем не менее существует мало систематических подходов, с помощью которых можно синтезировать материалы с различной структурой и широким спектром текстурных и функциональных свойств.
Ученые ИТМО продемонстрировали подход, который позволяет настраивать необходимые параметры во время процедуры синтеза и получать материалы с различной пористостью ― а следовательно, и свойствами. Например, использовав наночастицы магнетита, исследователи получили ксеро-, крио- и аэрогель. Образованные иерархически-пористые магнитные объекты, исследованные в качестве новых представителей гемостатических материалов, обладают кровоостанавливающим свойством.
«На первом этапе получали наночастицы магнетита, а потом через подбор параметров (концентрации, вязкости) — более сложные материалы с другой иерархией: плотностью, структурой, внутренней архитектурой. Таким образом мы показываем, что изготовление пористых монолитов на основе наночастиц позволяет получать многофункциональные материалы различной наноархитектуры», — рассказывает ведущий инженер химико-биологического кластера Елизавета Анастасова.
Елизавета Анастасова. Фото из личного архива собеседницы
Как получают гели
Исследователи использовали классический золь-гель метод, в котором первая задача — получение золя. Это состояние, когда наночастицы равномерно распределены в воде (гидрозоле): они не оседают и система стабильна. Затем исследователи переводили полученный гидрозоль в другие формы. Сначала в гидрогель — плотный материал, характеризующийся тем, что наночастицы связаны друг с другом, при этом в образованных порах заключена вода.
Для получения ксерогеля ученые высушивали гидрогель на воздухе при комнатной температуре. Во время этого процесса из пор выходила вода, они схлопывались — материал становился более плотным. При использовании другого метода сушки — лиофилизации — жидкость в порах сначала замерзала, а затем испарялась. Так был получен криогель.
Аэрогель — более структурированный материал. Для его создания на первом этапе необходимо убрать воду в порах гидрогеля, заменив ее на более летучий растворитель, — в течение двух недель ученые меняли в порах воду на ацетон. Затем полученный образец методом сверхкритической сушки нагревали под давлением до достижения критической температуры ацетона, который уходил из геля, не уменьшая объем материала. Это позволило сохранить первоначальную структуру объекта, чего не удавалось в случае ксеро- и криогеля.
Решающая точка
Ученые теоретически исследовали порог перколяции при золь-гель переходе и смогли определить необходимые для получения заданных пористых объектов диапазоны концентраций. В этой точке и были получены все три типа магнетита: ксеро-, крио- и аэрогель.
Иерархически пористые структуры магнетита, полученные при использовании трех различных типов сушки (сверхкритическая сушка, лиофилизация и сушка при комнатной температуре). Изображение предоставлено авторами статьи
Порог перколяции — это состояние, при котором резко появляются другие свойства. В данном случае исследователи обнаружили, что при переходе золя в гель за счет увеличения объемной доли наночастиц происходит образование постоянно растущих структур из-за слабого притяжения между частицами. Такая сеть крупных структур, приводящая к созданию перколяционной сети, представляет собой фазовый переход второго рода, при котором критической точкой становится точка перехода жидкость — твердое состояние при гелеобразовании.
«Концентрация наночастиц играет важную роль в определении механизма гелеобразования, поэтому мы измеряли вязкость различных концентраций наших золей. А сопоставляя полученные данные с теоретическими моделями описания рассматриваемого процесса, нам удалось объяснить, за счет чего образуется непрерывная сеть наночастиц, приводящая к новым реологическим (деформационным — примеч. ред.) свойствам», — рассказала Елизавета Анастасова.
Применение
Возможность настраивать состав пористых материалов определяет и их свойства. В зависимости от них вещества будут иметь различное применение. Например, высокая пористость аэрогеля позволяет использовать его как гемостатический материал при кровотечениях, а ксерогель ― как депо для транспортировки какого-либо лекарства
Чтобы подтвердить, что полученные материалы можно применять в медицине, ученые оценили их токсическое действие на клеточные культуры. Все протестированные образцы оказались биосовместимыми.
«Описанный нами подход обеспечивает широкий доступ к получению пористых монолитов магнетита с определенными структурными особенностями, что значительно расширяет функциональные возможности этих перспективных материалов. Хочется верить, что наша работа даст большой толчок для дальнейших исследований прогнозирования и описания свойств других материалов», — заключила Елизавета Анастасова.
Подробнее об исследовании: Elizaveta I. Anastasova, Anastasia A. Belyaeva, Sergey A. Tsymbal, Denis A. Vinnik, Vladimir V. Vinogradov Hierarchical Porous Magnetite Structures: From Nanoparticle Assembly to Monolithic Aerogels (Journal of Colloid and Interface Science, 2022).
