Получение наночастиц бора методом лазерной абляции в жидкости Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

SoVbTv™ НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ, АКТИВНЫЕ СРЕДЫ И НАНОСТРУКТУРЫ

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ, АКТИВНЫЕ СРЕДЫ И НАНОСТРУКТУРЫ

Получение наночастиц бора методом лазерной абляции в жидкости

Айыыжы К.О.

Федеральный исследовательский центр «Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук», Москва Е-mail: aiyyzhv@phvstech. edu

DOI: 10.24412/cl-35673-2022-1-46-48

В последнее время наблюдается большой интерес к получению наночастиц бора, вызванный возможностью их применения в технологиях синтеза топлив и в новых радиофармацевтических препаратах. Бор превосходит углеводороды по объёмной и по удельной массовой теплоте сгорания. Эти качества, наряду с малой токсичностью наночастиц бора и возможностью их промышленного производства, позволяют рассматривать суспензии наночастиц бора в углеводородах в качестве перспективных энергоёмких композиционных топлив. Исследования показали, что добавка наночастиц бора в жидкое углеводородное топливо позволяет увеличить температуру пламени его горения на 15 % [1, 2]. Промышленные порошки бора имеют субмикронные размеры, а скорость горения пропорциональна площади удельной поверхности частиц, поэтому для эффективного сгорания размер наночастиц должен быть как можно меньше. Также уменьшение размера частиц бора приводит к увеличению полноты сгорания и расширению пределов воспламенения.

Другой важной областью применения наночастиц бора является бор-нейтронозахватная терапия (БНЗТ) раковых клеток [3]. Установлено, что наночастицы бора как основа радиофармацевтических лечебных препаратов позволяют снизить долю выживших раковых клеток до 5-10 %. В технологической практике получение частиц элементного бора в основном осуществляют методами химического осаждения из газовой фазы. Следует отметить, что эти методы позволяют получать порошки элементного бора с широким распределением по размерам (от 0.5 до

18-20 октября 2022 г.

20 мкм). Получение частиц чистого бора малого размера позволит заметно увеличить эффективность БНЗТ за счёт увеличения удельной поверхности частиц. Кроме того, наночастицы бора должны быть биосовместимы. Таким образом, целью работы было получение биосовместимых наночастиц бора размером менее 100 нм.

Вышеперечисленные требования к наночастицам возможно удовлетворить с использованием метода лазерной абляции в жидкости и последующей фрагментации полученного коллоида. Лазерное излучение волоконного иттербиевого лазера мощностью 20 Вт с длиной волны 1060-1070 нм, частотой следования импульсов 20 кГц и длительностью импульса 200 нс фокусировалось с помощью F-Theta объектива ^=204 мм) на поверхность мишени спечённого бора, находящуюся в проточной кювете, заполненной изопропиловым спиртом. Лазерная абляция мишени приводит к образованию относительно крупных субмикронных частиц бора из-за высокой плотности энергии лазерного пучка. Дальнейшая лазерная фрагментация путём повторного воздействия лазерного излучения на полученный коллоидный раствор наночастиц бора в течение 135 минут приводила к образованию наночастиц с распределением по размерам в диапазоне 7-60 нм (рис. 1а). Исследования с помощью просвечивающей электронной микроскопии подтверждают данные, полученные с помощью дисковой центрифуги. На рис. 1б представлена морфология наночастиц бора. Анализ элементного состава частицы показывает однородное содержание углерода в центральной части частицы и его увеличение по краям. Это свидетельствует об углеродной оболочке наночастицы. Период кристаллографических плоскостей оболочки составляет 0.34 нм, что соответствует графитизированному углероду. Наличие углеродной оболочки на наночастицах бора дает преимущество для нанокомпозитных углеводородных топлив, поскольку углерод может служить воспламенителем горения бора. Также углеродная оболочка вокруг бора может служить в качестве защитного химически стойкого, прочного и биосовместимого слоя для применения в БНЗТ. Согласно базе данных рентгеновская дифрактограмма исходной мишени соответствует кристаллической структуре, состоящей из 314 единиц ячеек В7. А кристаллографическая структура полученных наночастиц бора претерпевает аллотропную модификацию и состоит из ромбоэдрического бора и центросимметричного В7.

™™дыГу™ новые материалы, активные среды и наноструктуры

Таким образом, наночастицы бора, полученные методом лазерной абляции и фрагментации в изопропаноле, являются перспективными кандидатами как для добавки в композитное топливо, так и для использования в БНЗТ.

а)

Рис. 1. Зависимость распределения размера наночастиц бора по разирам при различном времени лазерной фрагментации: 0(1), 55(2) и 135(3) мин (а). Вид наночастиц после фрагментации в просвечивающий электронный микроскоп (б).

Работа поддержана грантом Президента РФ № МД-3790.2021.1.2. Автор выражает благодарность научному руководителю д.ф.-м.н. Шафееву Г.А., д.ф.-м.н. Барминой Е.В., к.ф.-м.н. Ракову И.И. за постановку научной задачи, помощь в измерениях и обсуждение результатов, а также центру коллективного пользования ИОФ РАН им. А.М. Прохорова за ПЭМ-изображения наночастиц и данные рентгеноструктурного анализа.

1. Karmakar S., Acharya S., Dooley K.M. Journal of Propulsion and Power. 2013, 28, 707-718.

2. Barmina E.V., Zhilnikova M.I., Aiyyzhy K.O., et al. Doklady Physics. 2022, 67(2), 39-43.

3. Dymova M., Taskaev S., Richter V., Kuligina E. Canc. Com. 2020, 40, 406-421.