CC BY
36
УДК 54.057
Кузнецова С.А., Зайцева М.П., Мурадова А.Г., Юртов Е.В.
ПОЛУЧЕНИЕ НАНОСТРУКТУР FeзO4 @ SiO2 С КОНТРОЛИРУЕМОЙ ОБОЛОЧКОЙ SiO2 НА ПОВЕРХНОСТИ FeзO4 И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ
Кузнецова Светлана Александровна, студент 4 курса кафедры наноматериалов и нанотехнологии, е-таЛ:Аеиг96@Из1.ги;
Зайцева Мария Павловна, аспирант, ведущий инженер кафедры наноматериалов и нанотехнологии; Мурадова Айтан Галандар кызы, доцент кафедры наноматериалов и нанотехнологии, кандидат химических наук;
Юртов Евгений Васильевич, заведующий кафедрой наноматериалов и нанотехнологии, профессор, член-корр. РАН, доктор химических наук;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
В работе, было исследовано влияние концентрации тэтраэтоксисилана на толщину оболочки SiO2 и проведено исследование магнитных свойств полученных наноструктур Fe3O4@SiO2. Было выявлено, что для частиц Fe3O4@SiO2 с ядром 23 нм толщина оболочки увеличивается от 4 до 24 нм при увеличении концентрации ТЭОС от 0,005 М до 0,06 М, а для частиц с ядром 100 нм - от 7 до 22 нм. Было показано, что коэрцитивная сила покрытых наночастиц также увеличивается по сравнению с непокрытыми. что говорит об усилении взаимодействий на границе «магнитное ядро» - «немагнитная оболочка» ^Ю2).
Ключевые слова: оксид железа, наночастицы, наноструктуры, магнитные наночастицы
PREPARATION OF Fe3O4@SiO2 NANOSTRUCTURES WITH A CONTROLLED SiO2 SHELL ON THE SURFACE OF Fe3O4 AND THE STUDY OF THEIR MAGNETIC PROPERTIES
Kuznetsova S.A, Zaytseva M.P., Muradova A.G., Yurtov E.V. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The effect of tetraethoxysilane concentration on the SiO2 shell thickness and magnetic properties of Fe3O4@SiO2 was investigated. It was found that the thickness of the shell increases from 4 to 24 nm with an increase in the concentration of TEOS from 0.005 M to 0.06 M ( core 23 nm), and from 7 to 22 nm for the core 100 nm. It was shown that the coercive force of coated nanoparticles increases , which indicates the strengthening of interactions at the boundary "magnetic core " (Fe3O4) - "non-magnetic shell" (SiO2).
Keywords: iron oxide, nanoparticles, nanostructures, magnetic nanoparticles
Наночастицы Бе304 вызывают широкий интерес для применения в различных отраслях. В биомедицине в качестве носителей лекарственных веществ, терапевтических агентов; в микробиологии - для разделения биомолекул. Также наночастицы оксида железа являются контрастными веществами для магнитно-резонансной томографии (МРТ) [1].
Для использования наночастиц Бе304 во многих отраслях они должны быть химически устойчивыми и биосовместимыми [2]. Для удовлетворения этих требований были обнаружены различные типы материалов, которые будут использоваться в качестве материалов для покрытия наночастиц Ре304, включая полимеры, металлы, неметаллы, оксиды металлов, оксиды неметаллов и сульфиды.
Анализ литературных источников показал, что в большинстве случаев в качестве неорганических покрытий применяют оксид кремния. Это объясняется тем, что такого рода покрытия имеют ряд преимуществ, а именно:
- обеспечивают седиментационную устойчивость магнитных наночастиц в растворе;
- способствуют предотвращению межчастичных взаимодействий, приводящих к агломерации;
- обеспечивают хорошую биосовместимость;
- могут связывать биологические молекулы и другие лиганды с поверхностью наночастиц.
Образование оболочки из диоксида кремния на поверхности наночастиц по методу Штобера заключается в гидролизе с последующей поликонденсацией алкоксисилановых групп в водно-спиртовом растворе. В качестве катализатора данного процесса выступает гидроксид аммония [3]. Толщину кремниевой оболочки можно легко контролировать, регулируя концентрации аммония и тетраэтоксисилана [4, 5].
В статье [4] было установлено, что оболочка из диоксида кремния на поверхности частиц Бе304 может влиять на магнитные свойства наночастиц Бе304. Так же, в работах [2, 6] доказали, что с увеличением толщины оболочки намагниченности насыщения уменьшаются. Снижение
намагниченности насыщения является результатом увеличения силикатного компонента. Перед нами
стояла задача изучить влияние толщины оболочки на поверхности Бе304 на магнитные свойства наноструктур Ре304@8Ю2, а именно на изменение коэрцитивной силы и удельной намагниченности.
Целью работы являлось исследование влияния концентрации ТЭОС на толщину оболочки БЮ2 для наночастиц Бе304 различных размеров. Синтез заключался в следующем: получали наночастицы Бе304 методом осаждения с последующим термостатированием [7]. Далее к 0,045 г полученных НЧ Бе304 добавляли тетраэтоксисилан (ТЭОС), который является прекурсором оболочки БЮ2. Концентрации ТЭОС составляли :0,005 М, 0,01 М, 0,03 М, 0,06 М. Диспергировали в водно-спиртовом растворе (с этиловым спиртом). Добавляли 2,5 мл КЫ40Ы для поддержания щелочной среды. Полученную суспензию ставили перемешиваться на верхнеприводную мешалку на 24 часа (700-1100
об/мин). Осадок отделяли магнитом, промывали многократно бидистиллированной водой и сушили при комнатной температуре.
Толщину оболочки исследовали с помощью просвечивающего электронного микроскопа (Рис. 1). В результате было выявлено увеличение средней толщины оболочки с увеличением концентрации ТЭОС. Для наночастиц Ре304@БЮ2 с ядром 23 нм толщина оболочки БЮ2 увеличивается от 4 до 24 нм при увеличении концентрации ТЭОС от 0,005 М до 0,06 М, а для частиц Ре304@БЮ2 с ядром 100 нм - от 7 до 22 нм (рис. 2). Проведен анализ магнитных свойств порошков наночастиц Бе304 и Бе304 покрытых оболочкой БЮ2. Полевые зависимости намагниченности насыщения для нанопорошков Бе304 и Fe304@Si02 (ядро 100 нм) представлены на рисунке 3.
Рис. 1 ПЭМ-изображения наночастиц а) Fe3O4 100 нм б) Fe3O4@SiO2 с ядром 100 нм в) Fe3O4@SiO2 с ядром 23 нм
зо
а 2?
0
» 20 2
1 15 Н с
о я X
10 ■
=
г о Н
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 Кошн п I |>!1П1П! ТЭОС, М
0,06
Рис. 2 Зависимость толщины 8Ю2 оболочки от концентрации ТЭОС для образцов со средним размером ядра 23 и 100 нм
-ядро
-ядро-пбплочкл
-20000 -15000 -101100
Н.Э
5000 10000 1500» 30000
-100
Рис.3 Полевые зависимости намагниченности насыщения для нанопорошков Fe3O4 и Fe3O4@SiO2 (ядро 100 нм)
Нанопорошок Fe3O4 проявляет магнитотвёрдые свойства, о чем свидетельствует наличие у него заметной коэрцитивной силы (Нс = 150 Э). При этом его удельная намагниченность о в поле 1.8 Тл составляет 86 А*м2/кг.
Анализ соответствующих гистерезисных характеристик нанопорошка Fe3O4 покрытого оболочкой SiO2 показывает, что для него характерно, во-первых, повышение коэрцитивной силы по сравнению с непокрытыми порошками (Нс увеличивается от 150 Э до 240 Э), что говорит об усилении взаимодействий на границе «магнитное ядро» (нестехиометрический магнетит)-«немагнитная оболочка» (SiO2), а, во-вторых, снижение удельной намагниченности в поле 1.8 Тл (о уменьшается с 86 А-м /кг до 60 А-м /кг) - кажущийся эффект, обусловленный невозможностью точного определения и исключения из массы образца массы немагнитной фазы SiO2.
Список литературы
1. Avedian N. et al. pH-sensitive biocompatible mesoporous magnetic nanoparticles labeled with folic acid as an efficient carrier for controlled anticancer drug delivery //Journal of Drug Delivery Science and Technology. - 2018.- T.44.- №. 37. - С.1773-2247.
2. Hui C. et al. Core-shell Fe3O4@ SiO2 nanoparticles synthesized with well-dispersed
hydrophilic Fe3O4 seeds //Nanoscale. - 2011. - Т. 3. -№. 2. - С. 701-705.
3. Гребенников И.С., Зайцева М.П., Мурадова А.Г., Савченко А.Г., Юртов Е.В. // Международная конференция со школой и мастер-классами для молодых учёных "Химическая технология функциональных наноматериалов" (Москва, 30 ноября - 1 декабря 2017 г.). - Москва, 2017. -С.88-89.
4. Liu F. et al. Synthesis, characterization, and application of F3O4@ SiO2-NH2 nanoparticles //RSC Advances. - 2015. - Т. 5. - №. 23. - С. 18128-18136.
5. Зайцева М.П., Мурадова А.Г., Юртов Е.В., Савченко А.Г., Сидельников Н.К., Гребенников И.С. // XII Международный конгресс молодых ученых по химии и химической технологии МКХТ-2016 (Москва, Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, 18-20 октября 2016 г.). - Москва, 2016.- С.20-21.
6. Larumbe S. et al. Effect of a SiO2 coating on the magnetic properties of Fe3O4 nanoparticles //Journal of Physics: Condensed Matter. - 2012. - Т. 24. - №. 26. - С. 266007.
7. Muradova A. G., Zaytseva M.P., Sharapaev A.I., Yurtov E.V. Influence of temperature and synthesis time on shape and size distribution of Fe3O4 nanoparticles obtained by ageing method //Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. - 2016. - Т. 509. - С. 229-234.
