Ученые синтезировали стекла для использования в медицине и промышленности
Сегодня российские ученые большое внимание уделяют созданию синтетических аналогов природных веществ, которые могут найти применение в медицине, машиностроении, технике и компьютерных технологиях. Одним из видов таких материалов являются импактиты — стеклообразные горные породы с различными включениями (например, с металлическими наночастицами), которые образуются в результате столкновения малых космических тел с поверхностью Земли.
Поскольку эти материалы возникают в экстремальных условиях (сверхвысокие температуры и давление), синтезировать их в лаборатории очень сложно. При этом импактиты обладают рядом полезных физических свойств, благодаря которым в перспективе могут быть использованы при производстве высокопрочных конструкционных и изоляционных материалов для авиа-, ракето- и автомобилестроения, а также в атомной энергетике, металлургии и других областях. Благодаря наличию магнитных наночастиц в таких соединениях в будущем они также могут найти свое применение в персонализированной медицине, например, для создания компонентов систем записи и хранения информации, а также сенсоров медицинского назначения.
Ученые СПбГУ совместно с коллегами из СПбГЭТУ «ЛЭТИ», ФТИ им. А. Ф. Иоффе, ДВФУ, Института химии ДВО РАН, а также ИГГД РАН создали «искусственные стекла», содержащие наночастицы оксидов железа, в лабораторных условиях.
«Чтобы это стало возможно, нам потребовалось воспроизвести в лаборатории условия, максимально приближенные к природным. Для этого мы использовали измельченные до фракции менее 1 мм образцы горных пород, из которых в естественных условиях формируются импактиты, а затем подвергли их высокотемпературной плавке — до 1500 °C — в специальной газопламенной печи. После этого одна часть полученных расплавов охлаждалась быстрой грануляцией в воду комнатной температуры, а другая — медленно остывала внутри выключенной печи», — объяснила автор исследования, доцент кафедры физики Земли СПбГУ Елена Сергиенко.
Таким образом ученые воссоздавали различные скорости стеклования и кристаллизации расплавов, а затем изучали петрографическую структуру, химический и минеральный состав образцов и их магнитные свойства.
Исследование показало, что в зависимости от состава исходной шихты (смеси материалов), условий получения расплава и последующего его охлаждения в искусственных стеклах можно проследить динамику формирования магнитных частиц. Спектр возможных частиц довольно велик: от ионов железа, рассеянных в стеклянной матрице, тонкодисперсных наночастиц в суперпарамагнитном состоянии до многодоменных зерен оксидов железа с ферримагнитными свойствами.
«Мы показали, что наночастицы оксидов железа в некоторых образцах обладают так называемыми суперпарамагнитными свойствами. То есть они не обладают собственным магнитным моментом при отсутствии внешнего магнитного поля, но способны намагничиваться под действием поля. В будущем эти характеристики могут быть интересны, например, для создания агентов при адресной доставке лекарств в организм человека, для безопасной неинвазивной диагностики и для многих других применений», — пояснил доцент кафедры микро- и наноэлектроники, старший научный сотрудник Инжинирингового центра микротехнологии и диагностики СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Камиль Гареев.
Как отмечают ученые СПбГУ, эта работа также позволит расширить понимание геологических процессов на Земле и приблизиться к более точному и регулярному синтезу самых сложных природных веществ.
Исследования проведены с использованием инфраструктуры Научного парка СПбГУ в ресурсных центрах «Инновационные технологии композитных наноматериалов», «Геомодель», «Рентгенодифракционные методы исследования», «Методы анализа состава вещества», «Микроскопии и микроанализа», «Магнитно-резонансные методы исследования», «Центр диагностики функциональных материалов для медицины, фармакологии и наноэлектроники». Плавление горных пород выполнено по соглашению между Санкт-Петербургским университетом и Белорусским государственным технологическим университетом (С-РЦ 19/3 от 07.08.2021 года).
Информация предоставлена пресс-службой СПбГУ
