Ультразвук помог получить магнитные наночастицы из железного порошка и воды

Учёные из Университета Тохоку (Япония) разработали новый способ получения магнитных наночастиц оксида железа — без использования каких-либо химических реагентов. Только железный порошок, вода и ультразвук. Работа опубликована в журнале Ultrasonics Sonochemistry.

Магнитные наночастицы оксида железа — магнетит (Fe₃O₄) и магемит (γ-Fe₂O₃) — занимают важное место в современной науке и технологии. Они применяются в МРТ-диагностике как контрастные агенты, в адресной доставке лекарств, в магнитной гипертермии для разрушения опухолей, в катализе, адсорбции загрязнителей и магнитной сепарации. Спрос на эти материалы растёт вместе с развитием биомедицины и экологических технологий.

Проблема стандартных методов синтеза

Традиционный путь к наночастицам оксида железа — соосаждение: растворимые соли железа (FeCl₂, FeSO₄ или аналоги) смешивают с щёлочью (аммиаком или гидроксидом натрия), в результате выпадают наночастицы. Метод отработан и широко применяется, но имеет ряд недостатков:

• требует реактивов — солей железа и осадителей, которые нужно производить, транспортировать и хранить;
• генерирует солевые отходы, требующие утилизации;
• плохо сочетается с концепцией «зелёной» химии.

Команда Университета Тохоку, в которую входят Мадока Ёсикава, Хироцугу Такидзава и Ямато Хаяси, предложила начинать не с солей, а с металлического железа.

Как работает акустическая кавитация

Ультразвук в жидкости создаёт явление акустической кавитации: под воздействием звуковых волн в воде образуются мельчайшие пузырьки, которые затем стремительно схлопываются. В момент схлопывания в микроскопической точке возникают экстремальные условия: температура до нескольких тысяч Кельвин, давление в тысячи атмосфер и мощные ударные волны и микроструи.

Эти условия, по предположению авторов, разрушают оксидный слой на поверхности железного порошка, обнажают свежее железо и запускают реакцию окисления водой с образованием наночастиц. Реакция, которая в обычных условиях протекает крайне медленно, в условиях кавитации ускоряется многократно.

В экспериментах 1,0 г железного порошка диспергировали в воде и обрабатывали ультразвуком на частотах 23 или 43 кГц при разных температурах и временных режимах. Продукты анализировались с помощью рентгенодифракционного анализа, электронной микроскопии и магнитных измерений.

Результат: в зависимости от условий получались наночастицы магнетита или магемита — стандартные продукты для биомедицинских применений. Частицы обладали ожидаемыми магнитными свойствами.

Что это даёт

Значение подхода выходит за рамки конкретного применения. Он демонстрирует принципиальную возможность прямой конверсии металла в оксидный наноматериал без реагентов — только через акустическое воздействие на гетерогенную систему «металл в воде».

Потенциальные области применения нового метода:

• переработка мелкодисперсного железного порошка или металлолома в высокоценный магнитный материал;
• производство наночастиц для адсорбентов, катализаторов и магнитной сепарации в условиях, где химические реагенты недоступны или нежелательны;
• масштабирование на другие металлы с изменённой реакционноспособностью.

Читайте также: Материал без редкоземельных металлов ускорил переработку CO₂ в топливо.

Авторы отмечают, что метод требует дальнейшей оптимизации для достижения воспроизводимого контроля над размером и формой частиц — ключевых характеристик для биомедицинских применений. Тем не менее принцип «звук вместо реагентов» доказан в рамках новой парадигмы сонохимического синтеза.