Молибденовый синий — перспективный материал для химии, биомедицины, электроники, потому что одно вещество умеет сразу много полезного: обнаруживать яды в воде, работать в медицинских датчиках, проводить ток в электронике и ускорять химические реакции. Однако сейчас его применение ограничено, так как известные способы получения этого вещества либо являются достаточно сложными, либо дают огромное количество примесей — почти столько же, сколько полезного вещества. Это усложняет его использование в высокотехнологичных сферах. Ученые из РХТУ им. Менделеева, ПНИПУ и Московского центра перспективных исследований разработали простой и экологичный метод получения таких наночастиц. Если раньше полезного вещества и примесей было поровну — 50 на 50, то теперь содержание примесей околонулевое. Кроме того, свойствами материала можно управлять: получать либо полупроводник для электроники, либо недорогой ускоритель химических реакций. Эта технология открывает путь к недорогим и чистым наночастицам для энергетики, электроники и медицины.
«Молибденовый синий» — это вещество яркого, почти космического синего цвета. Оно состоит из крошечных частиц — всего 3,5 нанометра в диаметре. Это очень маленький размер: для сравнения, человеческий волос толще такой частицы примерно в 20 тысяч раз.
Сегодня молибденовый синий используют для определения фосфора в почве и удобрениях. В пробу добавляют реактивы, и если этот элемент присутствует, раствор синеет. Почему? Фосфор связывает молекулы молибдена в большие синие комплексы. Чем его больше, тем больше таких комплексов и тем ярче цвет. Этот метод простой, надёжный, его применяют лаборатории по всему миру. Но потенциал вещества гораздо шире: у него есть как минимум три перспективных применения.
Во-первых, соединения, получаемые из молибденового синего, выступают ускорителями для многих реакций в органической химии. Сейчас для них используют драгоценный металл — платину. Она нужна, чтобы ускорить процесс: без неё он идёт слишком медленно. Как помогает платина? Её поверхность — как удобная «площадка». Молекулы прилипают к ней, и вступают в химическую реакцию. Сама платина при этом не расходуется. Но этот металл дорогой и редкий, а соединения молибдена могут стать доступной и недорогой альтернативой — по эффективности они не уступают, а стоят намного дешевле.
Во-вторых, наночастицы молибденового синего умеют менять сопротивление под током и сохранять это состояние после отключения питания. Это значит, из них можно сделать память, которая не стирается при выключении — как флешка, но намного быстрее. Как именно? Из этих наночастиц делают сверхтонкий слой, который помещают между крошечными электродами. Каждая такая ячейка под действием тока переключается между состояниями «ток идёт» и «ток не идёт» — это и есть 0 и 1. А ячейка помнит своё состояние даже без электричества. В отличие от обычной оперативной памяти, которая забывает всё при выключении и заставляет компьютер каждый раз загружаться заново, новая память сделает компьютеры удобнее (мгновенный запуск) и экономичнее.
В-третьих, молибден нетоксичен для организма. Это свойство делает его перспективным для использования в лекарствах, которые могут адресно доставлять препарат — например, накапливаться прямо в опухоли, не повреждая здоровые ткани. А ещё из наночастиц молибдена можно создавать антибактериальные покрытия для медицинских инструментов и имплантатов.
Но пока во всех этих высокотехнологичных сферах вещество не используется. Проблема в том, что традиционные способы его получения оставляют в растворе огромное количество ионных примесей. По сути, в одной колбе с полезными наночастицами молибденового синего плавает ещё столько же ненужного «мусора» — остатков солей и кислот. Удалить такие примеси из раствора очень сложно и дорого. А без абсолютной чистоты невозможно ни достоверно изучить свойства материала, ни запустить его в массовое производство.
Именно эту проблему решили ученые РХТУ им. Менделеева, ПНИПУ и Московского центра перспективных исследований. Впервые в мире исследователи предложили простой и экологичный метод получения наночастиц молибденового синего, который позволяет получать вещество без лишних загрязнений. В традиционных методах сначала синтезируют наночастицы вместе с примесями, а потом пытаются их очистить. Ученые же поступают наоборот: сначала убирают все примеси из исходного раствора, и только потом получают наночастицы.
Для этого они пропускают раствор соли молибдена через колонку со специальным материалом — ионообменной смолой. Он работает как ловушка для примесей, заменяя посторонние ионы на ионы водорода. На выходе получается чистая молибденовая кислота. Затем добавляют восстановитель - аскорбиновую кислоту (витамин C). Она выбрана, потому что безопасна, способствует тому, что реакция образования молибденового синего проходит быстро и одновременно является источником углерода для получения в последующем соединений молибдена. Витамин C запускает реакцию: уже через минуту раствор становится ярко-синим, в нём формируются однородные наночастицы молибденового синего, похожие на крошечные кольца.
Александр Сюй
— В итоге концентрация примесей в растворе околонулевая — настолько малая, что её не могут измерить даже высокочувствительные приборы. А снимки с микроскопа подтверждают: все частицы получаются одинакового размера и почти не отличаются друг от друга. Это идеальный результат для промышленности: чем меньше примесей и чем больше частицы похожи друг на друга, тем стабильнее и предсказуемее свойства материала. А значит, его можно использовать в массовом производстве, не боясь сюрпризов, — поясняет Александр Сюй, профессор кафедры общей физики ПНИПУ, доктор физико-математических наук.
Экологичность — ещё один важный плюс новой технологии. В отличие от традиционного способа, который при нагреве сырья выделяет в воздух токсичные аммиак и соляную кислоту (их приходится дополнительно улавливать и обезвреживать), новый метод идёт без вредных газообразных выбросов. Это безопасно для людей и природы, а также снижает затраты на очистку.
Но самое интересное начинается, когда полученный порошок нагревают. Оказалось, что, просто меняя количество добавленной аскорбиновой кислоты (обычного витамина C), можно заранее задать, во что превратится молибденовый синий.
— Если витамина C добавлять немного, то при сильном нагреве в среде без кислорода образуется диоксид молибдена. Это порошок тёмно-фиолетового, почти чёрного цвета. Но главное — он полупроводник, то есть материал, который может проводить ток только в нужном направлении или при определённых условиях. Из таких материалов делают транзисторы, диоды и микросхемы. Выглядит это как крошечные детали внутри любого чипа или процессора. Если же витамина C взяли с избытком, его остатки запускают химическую реакцию, и на выходе получается карбид молибдена — тугоплавкое, электропроводящее вещество, которое отлично ускоряет химические реакции. Мы впервые в мире показали, что дозировка витамина C позволяет переключать свойства материала. Это значит, что материал будет стабильным и предсказуемым — именно такой нужен для промышленности, — объясняет Александр Сюй.
Таким образом, учёные не только нашли способ получать сверхчистые наночастицы молибдена, но и научились управлять их превращением в полезные материалы. Таким образом, разработка поможет создавать дешёвые ускорители для химических реакций, компьютеры, потребляющие меньше энергии, и лекарства, которые доставляют препарат точно в нужное место.
Статья опубликована в международном научном журнале «Colloids and Interfaces».
Источник: Минобрнауки России
