Композитные материалы с наночастицами металлов в качестве нелинейно-оптических сред очень привлекательны для создания интегрально-оптических устройств, быстродействующих оптических переключателей. Гидрозоли металлов (Ag, Au, Cu, Pt, Pd) – взвеси в воде частиц малого размера (d
Сформированные в результате осаждения наночастиц серебра (d = 1–10 нм) монокристаллы привлекательны для разработки технологии наноплазмонных волноводов в оптических устройствах [1, 2]. В опыте монокристаллы серебра появлялись из наночастиц гидрозолей при их агрегации из коллоидного раствора на монокристаллическую кремниевую подложку в условиях комнатной температуры.
Исходный материал – гидрозоли серебра – для работы получали методом импульсного высоковольтного (5–10 кВ) электрического разряда между серебряными электродами, погруженными в дистиллированную воду [3, 4]. На рис.1 представлена фотография получаемых частиц серебра.
В работе использовали растворы с массовой концентрацией серебра 50–100 мг/л. Это соответствовало плотности частиц 1014–1015 мл-1 при среднем размере наночастиц d = 4–8 нм. При комнатной температуре растворы обладают высокой стабильностью – в частности, в закрытой в течение года емкости они не претерпевают видимых изменений. Что дает основание утверждать о сравнительно слабом взаимодействии частиц между собой в растворе при указанных условиях. Визуализацию частиц в растворе и формирующихся монокристаллов проводили с помощью просвечивающего (Zeiss EVO 40) и сканирующего электронного (Joel JEM-2100) микроскопов.
Нанотехнологиии и их применение
Распределения частиц по размерам определяли методом светодинамического рассеяния на приборе Zetasizer Nano ZS фирмы Malvern. Метод позволяет найти функцию распределения исследуемых частиц по размерам в результате сканирования диаграммы рассеяния излучения лазера, зондирующего коллоидный раствор. На рис.2 представлены результаты распределения частиц по размерам в этих растворах. Видно, изменение концентрации серебра в коллоидных растворах влечет изменение функции распределения наночастиц по размерам. Оба раствора выдерживали в течение 60 суток.
Диаграммы распределения частиц по размерам хорошо согласуются со спектрограммами экстинкции растворов этих частиц (рис.3), полученными на спектрометре WTW PhotoLab-6600 UV(растворы выдерживались в течении 60 суток). Сильная зависимость оптических свойств гидрозолей серебра от характеристик индивидуальных частиц замечалась и другими исследователями, например авторами работы [2].
Известна модель двойного электрического слоя (ДЭС), которая объясняет стабильность коллоидного раствора [2]. Согласно этой модели, вокруг металлической наночастицы, погруженной в растворитель (дистиллированную воду), возникает ДЭС, вызванный ионной и дипольной атмосферой.
Поэтому стабильность раствора является нелинейной функцией концентрации металлических частиц в коллоидном растворе. Для нашего случая (коллоидный раствор серебра) критической является концентрация ~50 мг/л при отсутствии каких-либо стабилизирующих добавок. При более высоких концентрациях процесс агрегации – слияния частиц – ускоряется, и через некоторое время (например, 60 суток) пик экстинкции такого раствора становится ниже, а полуширина ∆λ спектра экстинкции увеличивается (см. рис.3). Это говорит об уменьшении количества наночастиц, отвечающих плазмонному резонансу [1].
Наночастицы металлов в медицине — Александр Мажуга / ПостНаука
Вода структурируется в зоне действия поля наночастицы. Появление в растворе посторонних ионов может привести к компенсации заряда наночастицы и разрушению атмосферы, экранирующей наночастицу. Вследствие этого происходит быстрая агрегация частиц с выпадением осадка.
Количественно величина примесных ионов, загрязняющих раствор, может быть сравнима с плотностью наночастиц в коллоидном растворе (1014–1015 см-3). Это означает, что наличие в коллоидном растворе серебра примесей с массовым отношением 10-7–10-8 нарушает стабильность раствора. По совокупности результатов видно, что стабильность коллоидного раствора определяется чистотой дисперсионной среды и «нерастворимостью» материала стенки сосуда, в котором сохраняется коллоидный раствор [5]. На рис.4 представлены структуры, образовавшиеся на поверхности монокристаллической кремниевой подложки, выдержанной в течение 10 ч в растворе с концентрацией 50 мг/л.
В принципе, в условиях коллоидного раствора возможны два механизма кристаллизации. Первый – рост кристаллов при осаждении на уже сформировавшийся зародыш отдельных атомов металлов. Второй – рост кристалла за счет встраивания в решетку растущего кристалла атомов, принадлежащих отдельным наночастицам металла, но оказавшимся в соприкосновении с зародышем.
Процессы, идущие в коллоидных растворах металлов за счет присутствия в них отдельных атомов или ионов, описаны в [6]. Процесс роста кристаллов при осаждении на поверхность потока атомов исследован и описан во многих работах по тонкопленочной технологии, в частности в работе [7]. Для оценки скорости роста кристаллов при осаждении атомов необходимо знать их концентрацию в растворе.
Частоту столкновения частиц диаметром d, состоящих из ν атомов, можно оценить из условий теплового равновесия коллоидного раствора в целом. При температуре T скорость теплового движения V отдельной частицы оценивается как:
где k = 1,38 · 10-23 Дж/К – постоянная Больцмана, m – масса частицы, m = ν · μ , ν – количество атомов в частице, μ – 108 (атомный вес серебра). При размере частиц ~ 5 нм количество атомов ν ≈ 105 и тепловая скорость частицы V ≤ 1 м/с. Плотность потока частиц в заданном направлении j = n · V / 6, при n ≈ 1021 м-3, j ≈ 1020 м-2см-1. Частота столкновений одной частицы оценивается величиной j · d2 = 102 с-1.
Анализ литературных источников показал, что процессы перехода атомов из отдельной частицы металла малого размера в решетку растущего кристалла ранее не описаны. На рис.5 представлены фотографии взаимодействующих частиц, измеренные с помощью просвечивающего микроскопа (Joel JEM-2100). На снимке хорошо различимы следы кристаллографических плоскостей, что свидетельствуют о совершенной структуре кристаллической решетки каждой из частиц. Частицы можно рассматривать как вполне монокристаллические образования. Процесс слияния двух таких монокристаллических частиц в одну представляет как теоретический, так и практический интерес по целому ряду обстоятельств.
Во-первых, далеко не очевиден способ оценки вероятности слияния сталкивающихся двух частиц. Можно допустить, что одним из условий объединения (слияния) частиц при их столкновении является соотношение их кинетической (тепловой) энергии и энергии поверхностного натяжения. Оно меняется с изменением размеров частиц. И для меньших из них величина кинетической энергии оказывается меньше, чем величина энергии поверхностного натяжения:
Источник: www.photonics.su
Крутяков синтез и свойства наночастиц серебра достижения и перспективы
В работе рассматривается метод получения наночастиц серебра в водных растворах. Изучено влияние условий протекания реакций, таких как концентрация восстановителя и серебра, а также рН среды, найдены оптимальные условия синтеза. Определены параметры обработки водными растворами наночастиц серебра для придания упаковочным материалам антимикробных свойств.
УДК 541.64, 677.21.154; ВАК 05.16.09; DOI: 10.22184/1993-8578.2018.83.3.268.273
В
число приоритетных направлений пищевых технологий входят предотвращение потерь, сохранение качества и обеспечение биологической безопасности продуктов питания на всех стадиях производства и последующего хранения. Одним из инновационных способов повышения безопасности продуктов питания является ввод в упаковочный материал добавок, обладающих антимикробной и антиоксидантной активностью. Это позволяет обеспечить дополнительное снижение микробиологического риска за счет замедления роста поверхностной микрофлоры. Основными требованиями, предъявляемыми к антимикробным добавкам, является их санитарно-гигиеническая безопасность при контакте с пищевыми продуктами, полифункциональность и стабильность на всех стадиях переработки упаковки. Эксплуатационные характеристики упаковочных материалов после введения добавок должны сохраняться.
Развитие нанотехнологий позволило получать материалы, которые обладают уникальными свойствами и дают возможность значительно увеличить сроки хранения пищевых продуктов [1–4]. Интерес к наночастицам серебра и материалам, полученным с их использованием, растет в основном из-за необычных физических характеристик этого металла [5–10]. Важными свойствами наночастиц серебра являются бактерицидная и антивирусная активности, поэтому они могут быть использованы для придания упаковочным материалам биоцидных свойств. Основным условием применимости наночастиц серебра в производстве упаковки является их способность к закреплению на поверхности и в порах упаковочного материала. Данное условие может быть обеспечено использованием различных вариантов основы, а также разных технологий нанесения наночастиц на поверхность материала.
Целью настоящей работы является разработка антимикробной композиции на основе наночастиц серебра для пищевой упаковки из бумаги.
Синтез наночастиц проводился путем восстановления водного раствора нитрата серебра. Строение и размер наночастиц зависит от условий реакции и концентрации нитрата серебра. К раствору нитрата серебра с концентрацией от 0,0001 до 0,005 М добавляли такой же объем раствора восстановителя (0,001–0,15 М) и доводили рН до заданного значения с помощью раствора гидроксида натрия.
Полученные растворы обрабатывали в микроволновой печи в течение 20 мин при температуре 80 °С и мощности 700 Вт. Как показала электронная сканирующая микроскопия (рис.1), образующиеся частицы имеют сферическую форму диаметром от 1 до 200 нм. На их сферическую форму указывает и желтая окраска раствора. Образующиеся частицы стабильны, не осаждаются и не меняют окраску в течение нескольких недель.
Разработанная композиция наносилась на упаковочную бумагу методом распыления. Выбор бумаги основывался на том, что по сравнению с другими материалами для пищевой упаковки такая основа экологически безопасна, гигиенична и быстро разлагается естественным путем, что особенно важно при переработке отходов. Образцы упаковочной бумаги, обработанные различными концентрациями наночастиц серебра, исследовались на низковакуумном растровом электронном микроскопе в комплекте с энергодисперсионным рентгеновским спектрометром. Согласно данным электронно-сканирующей микроскопии и энергодисперсионного микроанализа (рис.2, табл.1), необработанная упаковочная бумага содержит 64,69% углерода и 35,31% кислорода. После модификации раствором наночастиц на поверхности обработанной бумаги образуется от 7,88 до 21,21% частиц серебра, которые распределены достаточно неравномерно (табл.1).
Антимикробное действие оценивали по степени угнетения роста бактерий через разное время инкубации по сравнению с контрольными образцами. Результаты исследований (рис.3а) показали, что в контрольных образцах наблюдается высокий рост микроорганизмов. В образцах, обработанных растворами наночастиц серебра (рис.3b–e) с концентрацией 0,001–0,005 М, рост микроорганизмов уменьшается.
С повышением концентрации наночастиц серебра антибактериальные свойства упаковочных материалов улучшаются. Антимикробные свойства модифицированных образцов сохранялись в течение всех пяти суток исследований (табл. 2, рис.4).
Из рис.4 видно, что мезофильные аэробные и факультативно анаэробные микроорганизмы (Staphylococcus aureus) успешно размножаются на контрольном образце, но их рост замедляется у образцов, обработанных наночастицами серебра, причем с увеличением концентрации наночастиц антибактериальные свойства возрастают. Антимикробные свойства модифицированных образцов устойчивы в течение исследованного периода (пять суток).
Таким образом, был успешно разработан состав на основе наночастиц серебра для обработки упаковочных материалов для пищевой промышленности. Показано, что упаковочный материал, модифицированный наночастицами серебра, обладает антибактериальными свойствами и подавляет развитие микроорганизмов. Применение разработанной антимикробной упаковки позволит предотвратить порчу пищевых продуктов, увеличить срок хранения, снизить потери и обеспечить сохранение качества и безопасности пищевых продуктов в процессе транспортировки, хранения и реализации.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
1. Souza V.G.L., Fernando A.L. Nanoparticles in food packaging: Biodegradability and potential migration to food – A review. Food Packaging and Shelf Life. 2016. 8. P. 63–70.
2. Samyn P., Barhoum A., Ohlund T., Dufresne A. Review: nanoparticles and nanostructured materials in papermaking // J Mater Sci. 2018. 53. P. 146–184.
3. Xiaojia H., Huey-Min H. Nanotechnology in food science: functionality, applicability, and safety assessment // Journal of Food and Drug Analysis. 2016. V. 24. P. 671–681.
4. Hannon J.C. Kerry J., Cruz-Romero M., Morris M., Cummins E. Advances and challenges for the use of engineered nanoparticles in food contact materials // Trends in food science https://www.nanoindustry.su/journal/article/6961″ target=»_blank»]www.nanoindustry.su[/mask_link]
Коллоидный журнал, 2022, T. 84, № 6, стр. 695-704
Полные тексты статей выпуска доступны в ознакомительном режиме только авторизованным пользователям.
- Аннотация
- Полный текст
- Список литературы
- Дополнительные материалы
Методом масс-спектрометрии с активированной матрицей/поверхностью лазерной десорбцией/ионизацией подтверждено формирование наночастиц при синтезе их в обратно-мицеллярных растворах вода/АОТ/изооктан. Были обнаружены масс-спектры серебра Agn и аддукты Agn ⋅ Na + и Agn ⋅ Na ⋅ H + , где n = от 1 до 20.
Методом эксклюзионной хроматографии проведено исследование размерных характеристик наночастиц серебра в течение одного года. Было обнаружено, что синтезированные в обратно-мицеллярном растворе наночастицы серебра преимущественно представляют собой две фракции. Размеры одной составляют от 1 до 6 нм, и в течение длительного срока хранения они могут незначительно меняться. Образование же крупной фракции с размерами частиц от 15 до 32 нм является обратимым процессом, а размеры частиц изменяются в интервале ± 10 нм. На основании полученных данных сделано предположение, что обратно-мицеллярные растворы со значениями степени гидратации до 20 при сохранении остальных условий проведения синтеза являются стабильными системами, а частицы крупной фракции являются агрегатами частиц мелкой фракции, которые сохраняют при агрегировании стабилизирующую оболочку молекул поверхностно-активного вещества АОТ.
Полные тексты статей выпуска доступны в ознакомительном режиме только авторизованным пользователям.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Источник: sciencejournals.ru