ПОЛУЧЕНИЕ НОВЫХ БИОГЕННЫХ И БИОЦИДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ЭРОЗИОННО-ВЗРЫВНОГО ДИСПЕРГИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ

В.Г.Каплуненко, Н.В.Косинов, Д.В.Поляков.
2007

ag-nano@mail.ru

За последнее десятилетие в научно-технических кругах практически всех развитых стран мира получили понимание значимость и место наноматермалов и нанотехнологий в дальнейшем развитии науки и техники. В тоже время, широкомасштабному внедрению наноматериалов и связаных с ними нанотехнологий препятствует, прежде всего, отсутствие эффективных технологий получения наноматериалов именно в промышленных объемах и по ценам, доступным для широкомасштабного использования.

Критический анализ существующих способов получения металлических наноматериалов показывает их ограниченность с точки зрения получения относительно недорогих наноматериалов в достаточных для промышленности объемах. К тому же, с помощью существующих химических способов получения металлических наноматериалов очень сложной и дорогостоящей является задача получения частиц металлов не в ионном, а именно в атомарном (молекулярном) состоянии, поскольку с помощью применения последних может быть решена задача токсичности и биологической совместимости биогенных металлов (Ag, Cu, Co, Mn, Mg, Zn, Mo, Fe). Так, в исследованиях российских ученых [1] показано, что токсичность наночастиц металлов во много раз меньше токсичности ионов металлов, полученных с применением солей. Медь менее токсична в 7 раз, цинк – 30 раз, а железо – в 40 раз. С другой стороны, биоцидные свойства у наночастиц металлов, в том числе и у серебра, ярко выражены по отношению к болезнетворным микроорганизмам, и в отличие от ионов этих же металлов, не проявляются по отношению к млекопитающим.

Наиболее перспективной альтернативой существующим химическим способам получения металлических наноматериалов являются, по мнению авторов, способы получения металлических наночастиц, основанные на использовании физических явлений [2,3]. Однако при этом необходимо решить следующие две основные задачи:
1 – разработать неэнергоемкую, высокопроизводительную, экологически безопасную технологию производства наночастиц;
2 – получать не только электрически нейтральные, но и электрически заряженные наночастицы металлов.

Решение последней задачи особенно важно при использовании наночастиц металлов в биосистемах, где основными наиболее приемлемыми формами восприятия биогенных металлов живой клеткой являются хелатные комплексы.

Специализируясь в области разработки нанотехнологий и наноматермалов, авторами установлено и теоретически обосновано новое физическое явление самоконцентрации энергии в локальных микрообъемах проводника, находящегося в электрической цепи с разрядным промежутком. Это физическое явление возникает при воздействии на проводник, находящийся в диэлектрической среде, мощными импульсами электрического тока. Физическое явление самоконцентрации энергии в локальных микрообъемах проводника сопровождается целым рядом известных физических эффектов, находящихся между собой в причинно-следственной зависимости. Это взрывная электронная эмиссия (эктоны академика Г.А. Месяца [4]); ударное сжатие локальных микрообъемов металла в приповерхностных слоях проводника; полиморфный переход локальных микрообъемов металла в приповерхностных слоях проводника; взрыв локальных микрообъемов металла; сублимация локальных микрообъемов металла; электроэрозия локальных участков поверхностных слоев проводника.

На основе нового физического явления самоконцентрации энергии авторами настоящей работы основано и развивается новое направление в области нанотехнологий, а именно: эрозионно-взрывные нанотехнологии, которые можно условно разбить на шесть основных групп:
– эрозионно-взрывные нанотехнологии получения новых наноматериалов;
– эрозионно-взрывные нанотехнологии аккумулирования энергии;
– эрозионно-взрывные нанотехнологии получения новых видов топлива;
– эрозионно-взрывные нанотехнологии рафинирования металлов;
– эрозионно-взрывные нанотехнологии очистки загрязненных стоков;
– эрозионно-взрывные нанотехнологии диспергирования органических веществ.

Наибольший интерес представляют нанотехнологии первой группы, с помощью которых были синтезированы новые наноматериалы: неионные коллоидные растворы наночастиц металлов; электрически нейтральные и электрически заряженные коллоидные наночастицы металлов как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии; структурированные агломераты наночастиц металлов; наногальванические элементы, а также новый класс комплексных соединений – высококоординационные анионоподобные аквахелаты нанометаллов с координационным числом больше 12, которые могут быть предсталены следующей общей формулой:

[Meŋ2n-(H2O)n],

где: Meŋ обозначает хелатообразующий металл в виде наночастицы, H2O является лигандом, n-количество молекул воды (целое число), соответствующее координационному числу хелатообразующей электрически заряженной наночастицы металла Meŋ2n- с величиной поверхностного заряда 2n-. В частности, получены такие высококоординационные анионоподобные аквахелаты нанометаллов, как: наносеребра аквахелат [Agŋ2n-(H2O)n], нанокобальта аквахелат [Coŋ2n-(H2O)n], наномеди аквахелат [Cuŋ2n-(H2O)n], наножелеза аквахелат [Feŋ2n-(H2O)n].

По нашему мнению, наиболее перспективными для применения в биосистемах являются анионоподобные высококоординационные аквахелаты нанометаллов в силу своей нетоксичности и хорошей биосовместимости с живой клеткой. Это комплексные соединения, состоящие из комплексообразователя, которым являются одна или несколько наночастиц, имеющих поверхностный электрический заряд, и лигандов, в качестве которых используются молекулы воды. Поверхностный электрический заряд у наночастиц создают посредством взрывной электронной эмиссии с поверхности проводника при эрозионно-взрывном диспергировании металла. Явление взрывной электронной эмиссии возникает при взрывах локальных участков проводника [4]. При этом образуются мощные потоки электронов. Наночастицы, находясь в потоке электронов, приобретают на своей поверхности электрический заряд со знаком «минус». Это делает хелатный комплекс наночастиц в структурном построении подобным анионному хелатному комплексу.

В аквахелатах в роли лигандов выступают молекулы воды. При этом количество лиганд-молекул воды есть координационное число, которое определяется количеством пар электронов, находящихся на поверхности наночастицы. В известных хелатных комплексах значения координационных чисел не превышают 12 [5], что является основным ограничением для получения устойчивых с управляемой структурой хелатных комплексов металлов.

Эрозионно-взрывные нанотехнологии дают возможность получать хелатные комплексы металлов с координационным числом больше 12. Это достигается электризацией наночастиц, а именно: поверхностный заряд наиболее мелких наночастиц должен быть не меньше 4∙10-18Кл. При этом сферическая форма наночастиц позволяет получить равномерный электрический заряд на ее поверхности, что создает условия для плотного окружения наночастицы молекулами воды, представляющими собой диполи с зарядами со знаком «плюс», расположенными на ядрах водорода. Устойчивость такого хелатного комплекса обеспечивается вне зависимости от размеров наночастицы, поскольку поверхностный электрический заряд, а соответственно и координационное число наночастицы-комплексообразователя пропорциональны ее размеру вследствие того, что разные по размеру наночастицы приобретают заряд в потоках электронов примерно одной плотности.

Хелатирование наночастицы молекулами воды позволяет аквахелату легко проникать через мембраны клеток, а наночастице легко «раскрываться», что создает условие для его высокой активности.

Отличительной особенностью синтезированных новых наноматериалов является возможность придания координационному числу больших значений, недостижимых в известных комплексообразователях. При этом хелатирование наночастиц молекулами воды за счет водородных связей молекул воды с электрически заряженной поверхностью наночастиц приводит к образованию устойчивых хелатных комплексов без добавления других лигандов.

Некоторые из полученных наноматериалов могут быть использованы в качестве экологически безопасных дезинфицирующих средств. К таким наноматериалам, в первую очередь относятся: наносеребра аквахелат [Agŋ2n-(H2O)n], наномеди аквахелат [Cuŋ2n-(H2O)n], а также аквананоцинк и аквананомагний. При этом наиболее эффективным является использование наночастиц указанных металлов в виде структурированых агломератов наночастиц, представляших собой совокупность короткозамкнутых гальванических пар из наночастиц двух металлов. Совместное использование двух металлов, в частности, Ag и Cu для получения бактерицидных растворов известно с древних времен. Например, исследователями шумерской культуры найдены металлические сосуды изготовленные из комбинации металлов – серебра и меди, которые использовались для лечебных целей. Это знаменитая ваза Энтемены и медные кувшины с серебряным носиком. Очевидно, шумеры знали, что медь и серебро — это металлы-синергисты, их совместное действие на микроорганизмы значительно выше, чем у серебра и у меди по отдельности. Исследователи считают, что при хранении воды в вазе Энтемены в воду генерировались ионы серебра и меди и вода превращалась в целебный и омолаживающий эликсир. Ваза Энтемены сохранилась до наших дней как памятник шумерской культуры [6, 7, 8]. Один из синтезированных нами наноматериалов с биоцидными свойствими на основе совместного использования наночастиц серебра и меди в виде серебряно-медных наноагломератов был назван «Шумерское серебро». Он имеет структурную формулу: [(Agŋ+Cuŋ)2n-(H2O)n].

Управляемое структурирование нанометаллов осуществляется в эрозионно-взрывной нанотехнологии диспергирования металлов, когда образующиеся наночастицы, находясь в потоках электронов, приобретают поверхностный электрический заряд. При этом электрическое поле у частиц меньшего размера имеет больший градиент потенциала, чем у частиц большого размера. При близком расположении мелких частиц и больших частиц за счет электростатической индукции на локальных участках поверхности большой частицы образуются индуцированные заряды противоположного знака (по отношению к знаку заряда малой частицы). При этом на поверхности большой частицы «налипают» малые частицы, образуя агломераты из наночастиц. Агломераты наночастиц представляют собой совокупность короткозамкнутых гальванических пар из наночастиц двух металлов – серебра и меди.

Гальванические пары образуют наночастицы Cu и Ag за счет различных электрохимических потенциалов серебра и меди. Функционально наногальванические элементы, образованные наночастицами Cu и Ag, находятся в составе агломератов во включенном состоянии в виде короткозамкнутых гальванических пар.

Использование в структурированных агломератах наночастиц биоцидных металлов с разной направленностью биоцидного действия позволяет расширить общий спектр биоцидного действия препарата – антибактериального, антивирусного и антигрибкового.

Литература:
1. Арсентьева И.П., Глущенко Н.Н., Павлов Г.В., Фолманис Г.Э. 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», 2006.
2. Назаренко О.Б., Ильин А.П. Получение нанопорошков карбидов и нитридов металлов при электрическом взрыве проводников в жидких углеводородах // Физика и химия обработки материалов, 2003 г., № 2, с. 85-87.
3. В.С. Седой, В.В. Валевич. Получение высокодисперсных металлических порошков методом электрического взрыва в азоте пониженного давления. Письма в ЖТФ, 1999, том 25, вып. 14 с.82-84. Орешкин В.В., Седой В.С., Чемезова Л.И. Применение электрического взрыва проволочек для получения наноразмерных порошков. Прикладная физика, № 3, 2001,с. 94-102.
4. Г.А.Месяц, С.А.Баренгольц. Сильноточная вакуумная дуга как коллективный многоэктонный процесс. Доклады Академии Наук, Том 375, номер 4, 2000.
5. Комплексные соединения. Большая Советская Энциклопедия. Т.12 с.587.
6. Морозов Н.А. «Миражи исторических пустынь», Том 9. «История человеческой культуры в естественно-научном освещении. Христом, в 10-ти томах»,— М. Крафт+Леан, 1997 – 2003;
7. Петкова С.М. Справочник по мировой культуре и искусству, М., 2005 г. – 507 c.
8. Е.М.Родимин. Приготовление целебных медно-серебряных растворов и металлоионотерапия. М.: 2003.

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *

*

Вы можете использовать это HTMLтеги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>