Размер:
A A A
Цвет: C C C
Изображения Вкл. Выкл.
Обычная версия сайта
Логин
Пароль
Институт химии и химической технологии
Сибирского отделения Российской академии наук

Концентрированные растворы металлов станут чернилами для трехмерной печати нового поколения

18 июня 2024 г.

Концентрированные растворы металлов станут чернилами для трехмерной печати нового поколения

Красноярские учёные разработали простой и результативный метод, который позволяет производить растворы с необычайно высокой концентрацией металлов. Благодаря этому методу, исследователи смогли получить раствор с рекордным количеством наночастиц серебра — 1800 грамм на литр. Такой подход позволит создавать чернила для трёхмерной печати, а также открывает новые перспективы для разработки материалов и технологий. Результаты исследования опубликованы в серии статей, последняя из них в журнале Colloid Journal.

Благодаря своим уникальным свойствам органозоли наночастиц серебра широко используются в оптических и полупроводниковых приборах, для получения электро- и теплопроводящих пленок, а также в качестве катализаторов и антибактериальных материалов. Однако большинство существующих методов получения органозолей наночастиц имеют свои ограничения. Они могут снижать эффективность и рентабельность производства, требуют утилизации и переработки больших объёмов отработанных растворов, а итоговая концентрация наночастиц серебра редко превышает сто грамм на литр.

Ученые Красноярского научного центра СО РАН впервые в мире создали раствор со сверхвысоким содержанием наночастиц серебра. Для этого они разработали простой и высокопроизводительный метод получения органозолей серебра с концентрацией металла до 1800 грамм на литр. Метод заключается в приготовлении гидрозоля — водной фазы наночастиц серебра, а затем переводе его в органозоль — органическую фазу. Такой подход позволяет повысить концентрацию наночастиц в растворе.

Сергей Воробьев, кандидат химических наук, научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН.jpg«Основное различие между органозолями и гидрозолями заключается в типе среды: органозоли имеют органическую среду, а гидрозоли — водную. Преимущество органозолей перед гидрозолями заключается в том, что органозоли содержат органические растворители, такие как спирты и эфиры, которые обеспечивают лучшую стабильность и совместимость с различными материалами и поверхностями. Это делает органозоли более эффективными», — поясняет Сергей Воробьев, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН.

Для перехода наночастиц в органическую фазу к очищенному гидрозолю серебра ученые добавляют деионизированную воду и ортоксилол — нефтяной продукт, представляющий собой комбинацию органических веществ. Будучи малолетучим, умеренно токсичным и относительно дешевым, это вещество оказалось наиболее эффективным в процессе экстракции. После перемешивания получившаяся смесь разделяется на темно-желтый верхний органический слой и бесцветный водный слой с небольшим количеством черного осадка на дне.

«В своей работе мы использовали метод фазового переноса. Этот метод заключается в первоначальном приготовлении гидрозолей наночастиц серебра с последующим переводом частиц в органическую фазу. Мы синтезировали гидрозоли наночастиц металлического серебра предложенным ранее модифицированным цитрат-сульфатным методом. Перевод в органическую фазу повышает гидрофобность наночастиц. При этом их размер и форма практически не меняются. Полученные органозоли серебра стабильны, то есть менее склонны к слипанию, укрупнению, растворению и окислению, и могут быть концентрированы путем частичного удаления растворителя до содержания металлов 1800 грамм на литр», — рассказывает Сергей Воробьев о разработке концентрированных растворов наночастиц.

Эксперты подчёркивают, что помимо небывалой концентрации, разработанные органозоли обладают высокой стабильностью, сохраняющейся более семи месяцев. Они также выдерживают многократные циклы сушки и возвращения в зольную форму. Методика, предложенная красноярскими специалистами, позволит разрабатывать чернила для трёхмерной печати, антимикробные средства и наножидкости, а также откроет новые возможности для создания материалов и технологий.

«Наши растворы гораздо более концентрированы, дешевы, безопасны в получении, а также очень производительны по сравнению с аналогами. Концентрат, основанный на частицах серебра, значительно превосходит как зарубежные, так и отечественные разработки по многим характеристикам. Другие разработки имеют концентрацию не более 500 грамм на литр и требуют трудоемкой процедуры получения. Наша технология уникальна и позволяет использовать серебро в виде нитрата, который восстанавливается в определенных условиях. А продукт можно использовать в печатных и струйных принтерах для создания проводящих дорожек без необходимости отжига. Это открывает путь к производству печатной и наносимой дешевой электроники на гибких основах. Такие, как печатные платы и тонкие серебряные пленки», — поделился Сергей Воробьев.

Металлические пленки из новых органозолей серебра.jpgИсследователи попробовали получить из новых органозолей серебра металлические пленки. Для этого органозоли наносили на сухую и обезжиренную поверхность стекла. После испарения ортоксилола на нем образовывалась пленка с характерным металлическим блеском серебристого цвета. Полученные пленки имели толщину 1 микрометр и высокую электропроводность, которая возрастала более чем в 6 раз после термообработки пленки. Ученые также обнаружили, что, увеличив количество наносимого раствора, можно получить более толстые пленки — толщиной до 20 микрометров.

Красноярские ученые предполагают, что практически любой материал в наноразмерном состоянии может быть концентрирован в зольных растворах предложенным методом. Например, специалисты также синтезировали концентрированные гидрозоли наночастиц магнетита с содержанием 1350 грамм на литр и оксида меди с концентрацией металла около одного килограмма на литр. Такие разработки могут найти свое применение в биомедицине для адресной доставки лекарственных средств: лекарство «присоединяется» к магнитной наночастице, которая при помощи внешнего магнитного поля направляется в раковую клетку. Гидрозоли также можно использовать для обогащения разных видов руды, в процессах экстракции, например, золотых руд, и для создания метаматериалов.

Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».


Поделиться:



Наверх