Ученые обосновали новый подход, который позволяет получать микроскопические полые структуры с отверстием — ваза-подобные микрокапсулы. Авторы проанализировали полученные ими ранее экспериментальные данные и пришли к выводу, что распыление микрокапель солей широкого круга металлов на поверхность раствора щелочи оказывается эффективным и простым методом синтеза. Упорядоченные слои из ваза-подобных микрокапсул могут лечь в основу новых катализаторов, сенсоров, материалов для энергетики и медицины. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Nanoscale.
Полые микрокапсулы (или, по другой терминологии, микросферы) со стенками из неорганических, органических и гибридных соединений широко используются в качестве теплоизоляционных и фотонных материалов, а также систем доставки лекарств. Среди таких объектов особое место занимают микрокапсулы с отверстиями в стенках, которые придают им форму, напоминающую «микровазу». Благодаря отверстию содержимое микрокапсул свободно взаимодействует с окружающей средой, а в саму микровазу практически без потерь проникает свет, который рассеивается и поглощается внутри нее. Поэтому такие объекты могут служить катализаторами, которые можно активировать светом. При этом, чтобы добиться необходимых оптических свойств материалов на основе подобных частиц, желательно синтезировать все микрокапсулы одинакового размера. Важно также, чтобы они образовывали на поверхности подложки упорядоченные массивы. Однако существовавшие методики синтеза не позволяли это сделать. Также было невозможно изменять в широких пределах химический состав стенок таких объектов и тем самым тонко «настраивать» их свойства.
Ранее ученые из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) предложили метод получения ваза-подобных микрокапсул со стенками из оксигидроксидов металлов, например, церия и марганца. Для этого на поверхность раствора щелочи распыляли микрокапли нитратов и сульфатов интересующих металлов. Когда микрокапли погружаются в раствор щелочи, на их стенках образуется твердый слой оксигидроксида металла. Однако этого не происходит в верхней части капли, ведь она не контактирует с раствором. В результате получаются микрокапсулы с отверстиями размером от долей до единиц микрометров (в 10–100 раз меньше толщины волоса).
В новом исследовании ученые с коллегами из Университета Сучжоу (Китай) и Национального университета наук и технологий (Пакистан) проанализировали возможности и перспективы такого метода. Экспериментальные данные показали, что новый подход позволяет сравнительно точно контролировать процесс формирования микрокапсул. Так, можно создавать микрокапсулы с разным размером, формой и толщиной стенок, меняя состав, концентрации, кислотность, поверхностное натяжение взаимодействующих растворов, а также их плотность и вязкость.
Кроме того, авторы выяснили, что описываемый способ синтеза имеет еще одно важное преимущество: с его помощью удается сформировать не хаотичную массу частиц, а упорядоченные массивы на поверхности различных подложек. Это достигается благодаря специальным техникам переноса микрокапсул с поверхности раствора на твердый носитель. Важную роль в процессе переноса играет ободок, окружающий отверстие капсулы. Он выполняет функцию «фундамента»: на него частицы закрепляют при помещении на подложку. В рамках другой методики можно сформировать слой из микрокапсул, ориентированных отверстиями строго вверх.
«Созданный нами подход позволяет получать чрезвычайно широкий круг ваза-подобных микрокапсул, отличающихся составом стенок. Так, к настоящему времени синтезированы массивы микрокапсул со стенками из гидратированных оксидов марганца, церия и европия, оксигидроксидов никеля, железа и лантана, а также гидроксидов меди и цинка. При этом важно, что такой синтез можно выполнить с использованием водных растворов широкодоступных солей металлов при комнатной температуре, в атмосфере воздуха и с использованием довольно простых приборов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Валерий Толстой, доктор химических наук, профессор Института химии СПбГУ.
Авторы пришли к заключению, что в неорганической химии и химии твердого тела появилась новая эффективная методология, позволяющая создавать открытые ваза-подобные микрокапсулы со стенками из широкого круга неорганических соединений и получать на поверхности различных подложек их упорядоченные массивы.
«Ваза-подобные микрокапсулы могут лечь в основу новых фототермических катализаторов для синтеза ценных соединений из углекислого газа. Микрокапсулы со стенками из оксида церия, демонстрирующие интенсивное фотолюминесцентное свечение, будут полезны в разработке оптических материалов и сенсоров. Дальнейшее развитие изложенной методологии откроет новые возможности для "химического конструирования" высокоэффективных фотонных и электродных материалов, а также катализаторов», — подводит итог Валерий Толстой.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
