Химики Санкт-Петербургского университета вместе с коллегами из Китая и Пакистана обосновали новый подход, который позволяет получать микроскопические полые структуры с отверстием — вазоподобные микрокапсулы. Авторы проанализировали полученные ими ранее экспериментальные данные и пришли к выводу, что распыление микрокапель солей металлов на поверхность раствора щелочи оказывается эффективным и простым методом синтеза. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в научном журнале Nanoscale.
Электронные микрофотографии микрокапсул со стенками из оксигидроксида лантана, полученные при различных увеличениях. Изображение предоставлено Валерием Толстым
Полые микрокапсулы (или 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 такому отверстию содержимое свободно взаимодействует с окружающей средой, а в саму микровазу практически без потерь проникает свет, который рассеивается и поглощается внутри нее.
Такие объекты могут служить катализаторами, которые можно активировать светом. При этом для получения необходимых оптических свойств желательно, чтобы все синтезированные микрокапсулы были одинакового размера. Важно также, чтобы они образовывали на поверхности подложки упорядоченные массивы. Однако существовавшие методики синтеза не позволяли это сделать, как и не давали возможности должным образом изменять химический состав стенок объектов и тем самым тонко настраивать их свойства.
Ранее химики Санкт-Петербургского государственного университета предложили метод получения вазоподобных микрокапсул со стенками из оксигидроксидов металлов, например церия и марганца. Для этого на поверхность раствора щелочи распыляли микрокапли нитратов и сульфатов интересующих металлов. Когда их погружают в раствор щелочи, на 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 СПбГУ совместно с коллегами из Университета Сучжоу (Китай) и Национального университета наук и технологий (Пакистан) проанализировали возможности и перспективы нового метода синтеза. Экспериментальные данные показали, что такой подход позволяет сравнительно точно контролировать процесс формирования микрокапсул, меняя состав, концентрации, кислотность, поверхностное натяжение взаимодействующих растворов, а также их плотность и вязкость, размер, форму и толщину стенок.
Кроме того, авторы выяснили, что у созданного способа синтеза есть еще одно преимущество: с его помощью можно сформировать не хаотичную массу частиц, а упорядоченные массивы на поверхности различных подложек. Это достигается за счет специальных техник переноса микрокапсул с поверхности раствора на твердый носитель. Важную роль в этом процессе играет ободок, окружающий отверстие капсулы и выполняющий функцию «фундамента»: на нем закрепляют частицы при помещении на подложку. В рамках другой методики можно сформировать слой из микрокапсул, ориентированных отверстиями строго вверх.
«Созданный нами подход позволяет получать широкий круг вазоподобных 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», — рассказал руководитель проекта, профессор кафедры химии твердого тела СПбГУ Валерий Толстой.
Как отмечают авторы исследования, вазоподобные микрокапсулы могут лечь в основу новых фототермических катализаторов для синтеза ценных соединений из углекислого газа. По словам ученых, микрокапсулы со стенками из оксида церия, демонстрирующие интенсивное фотолюминесцентное свечение, будут полезны в разработке оптических материалов и сенсоров. Дальнейшее развитие методологии откроет новые возможности для «химического конструирования» высокоэффективных фотонных и электродных материалов, а также катализаторов.
Информация и фото предоставлены пресс-службой СПбГУ
