Н.А. Булычев, Э.В. Кистерев, Ю.В. Иони, А.В. Руднев

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН,

119991, Москва, Ленинский пр-т, 31. E-mail: nbulychev@mail.ru

Стремительное развитие нанотехнологий в последние годы обусловлено требованиями времени. В настоящее время наиболее перспективными являются направления и задачи, возникающие на стыке различных областей знания, требующие новых подходов, использования современных высокотехнологичных и наукоемких методов для их решения. Одним из примеров такого взаимодействия различных направлений в нанохимии является применение физико-механических методов воздействия на химические системы. При этом ультразвуковое воздействие как один из таких методов заслуживает внимательного изучения.

В течение ряда лет в нашей лаборатории проводятся исследования влияния ультразвукового воздействия на различные процессы на субмикронном и наноуровне. В частности, показана возможность контролируемого синтеза стабильных нанодисперсных коллоидных систем неорганических и органических материалов в различных средах, модификации поверхности в гетерофазных системах, направленного синтеза наноматериалов и создания на их основе наноструктурных покрытий и т.д.

Действие ультразвука на жидкофазные и коллоидные системы основано на явлении кавитации, которое возникает в жидкости в результате местного понижения давления при прохождении акустической волны большой интенсивности. Образовавшиеся кавитационные пузырьки, перемещаясь в область с более высоким давлением, захлопываются, излучая при этом вторичные ударные волны. При этом значения локального давления и температуры повышаются в сотни раз. Это приводит к разрушению частиц материалов, освобождению их поверхности от адсорбционных и сольватных оболочек, образованию на поверхности нескомпенсированных физических и химических связей, которые способны к активному взаимодействию с молекулами химических соединений, обладающих поверхностной активностью.

Одним из основных направлений применения ультразвука в нанотехнологиях является исследование адсорбции высокомолекулярных соединений (полимеров) на поверхности частиц в дисперсных системах, в том числе под влиянием интенсивного механического, в частности, ультразвукового воздействия, с целью модификации поверхности частиц и придания ей новых свойств. Ульразвуковая обработка гетерофазных систем приводит не только к эффективному диспергированию дисперсной фазы в дисперсной среде, но и к разрушению частиц фазы с созданием на свежеобразованной поверхности дефектных областей с нескомпенсированными связями, что во много раз ускоряет процессы адсорбции ПАВ и ВМС, способствует образованию плотных поверхностных слоев контролируемой структуры, которые придают поверхности дисперсной фазы и системе в целом новые свойства.

Нанодисперсные системы на основе неорганических и органических частиц и полимеров могут быть использованы как модельные системы для выявления закономерностей взаимодействия полимеров с твердой поверхностью. В то же время гидрофильные и гидрофобные полимеры представляют интерес в качестве стабилизаторов дисперсных систем в водных средах. Существенно, что полимерные стабилизаторы выполняют и другую важную функцию, являясь пленкообразующими компонентами лакокрасочных материалов и покрытий, повышающими уровень их свойств и качество конечной продукции.

При этом основную роль в формировании комплекса свойств дисперсной системы играют наноструктурные процессы, происходящие в зоне контакта макромолекул с поверхностью частиц, которые определяют параметры, наноструктуру и нанорельеф поверхностного слоя, ориентацию макромолекул, конформационные превращения молекул при адсорбции.

Перспективным направлением использования ультразвука является получение нанодисперсного графита как прекурсора для синтеза графена – материала, который имеет первостепенное значение для наноэлектроники. Эксперименты с использованием ряда ионогенных ПАВ показали, что ультразвуковая обработка суспензий графита приводит к снижению размеров частиц в сотни раз и что получаемый нанографит представляет собой ассоциаты графена, состоящие всего из нескольких слоев.

Еще одним примером эффективного использования ультразвука для синтеза наноматериалов является получение наночастиц гидроксиапатита кальция Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Этот материал в последнее время вызывает огромный интерес в связи с использованием в качестве нанобиоматериала. Он химически стабилен, биосовместим и может применяться для конструирования костной ткани и доставки лекарств.

С применением капиллярного зонного электрофореза проведено разделение частиц в суспензиях ГАП в зависимости от их размера и заряда. Получено несколько фракций, обладающих различной электрофоретической подвижностью. Полученные данные сопоставлены с результатами исследований суспензий аналогичного состава методом сканирующей электронной микроскопии.

Рассмотрены также различные аспекты, связанные с воздействием ультразвука на водные суспензии ГАП с последующим изучением результатов этого воздействия методом электрофореза и электронной микроскопии. Установлено, что ультразвуковая обработка суспензии ГАП влияет на степень диспергирования частиц, приводит к образованию устойчивых кластеров определенного размера.

Другим направлением применения ультразвуковых технологий в нанотехнологиях является синтез наноматериалов в поле интенсивных ультразвуковых колебаний методом плазменного разряда. Было установлено, что интенсивные ультразвуковые колебания выше порога кавитации изменяют параметры плазменного разряда в жидкости и в кавитационной области существует новая форма плазменного разряда - объемный аномальный тлеющий разряд. Эта новая форма плазменного разряда в поле ультразвука получила название соноплазменного разряда. Такой разряд инициирует синтез наноматериалов – наночастиц металлов, оксидов металлов и неметаллов, в том числе высокоэффективных наносцинтилляторов, наноуглеродных структур и др. с особыми свойствами, которые можно направленно регулировать. В результате удается синтезировать наночастицы заданных форм и размеров, а также наночастицы контролируемого химического состава, формы и распределения по размерам.

Таким образом, проведенные исследования показали, что интенсивное волновое воздействие является эффективным методом синтеза наноразмерных материалов и модификации поверхности наночастиц в дисперсных системах, активизации взаимодействия наночастиц и органических соединений с последующим образованием адсорбционных слоев высокой толщины и прочности. Это позволяет получать высокостабильные нанодисперсные системы с особыми свойствами.