Химики разработали способ получения золотых наночастиц и нанопроволок без необходимости использования токсичных восстановителей. Метод, основанный на самопроизвольном восстановлении золотохлористоводородной кислоты внутри аэрозольных капель, может быть использован для разработки безопасных для окружающей среды технологий получения наночастиц золота, пишут ученые в Nature Communications.

Получение золотых наночастиц — один из техпроцессов, методики проведения которого разработаны довольно давно, и сейчас уже стали рутинными. В зависимости от внешних условий и типов реагентов можно получать коллоидные растворы, содержащие наночастицы разной формы, размера, а также с разными оптическими свойствами. Однако у наиболее распространенных методов, которые используются сейчас для получения наночастиц золота, есть и недостатки. К таким недостаткам можно отнести, например, необходимость использования токсичных и опасных для окружающей среды реагентов для синтеза (в частности борогидрида натрия) и не всегда возможное управление кинетикой реакции в объемных растворах.

Химики из США и Южной Кореи под руководством Ричарда Зейра (Richard N. Zare) из Стэнфордского университета изучили, как кинетика образования золотых наночастиц изменится в случае проведения реакции не в объемном растворе, а в отдельных аэрозольных каплях, переносимых направленным потоком азота. Для проведения реакции ученые направляли друг на друга потоки двух различных аэрозолей, в результате чего капли сталкивались и смешивались друг с другом. Начали ученые с традиционной схемы: один аэрозоль содержал золотохлористоводородную кислоту, а другой — борогидрид натрия. При столкновении капель происходило восстановление золота до металлического состояния, в результате чего образовывались наночастицы, которые затем потоком газа осаждались на стеклянную подложку.

Схема синтеза золотых наночастиц в результате столкновения аэрозольных капель. J. K. Lee et al./ Nature Communications, 2018

Схема синтеза золотых наночастиц в результате столкновения аэрозольных капель при отсутствии в системе восстановителя. J. K. Lee et al./ Nature Communications, 2018

В отличие от предыдущих аналогичных схем, ученые не использовали для ускорения частиц внешнее электрическое поле, а время реакции меняли, двигая подложку, на которую осаждались капли. В результате такого подхода ученым удалось синтезировать золотые наночастицы размером до семи нанометров за время в несколько десятков микросекунд. Ученые отмечают, что реакция в капле происходит в 100 тысяч раза быстрее, чем в растворе, а также при этом примерно в два раза увеличивается размер образующихся частиц.

Микрофотографии частиц, полученных при столкновении двух капель аэрозолей, для разных времен проведения реакции. Длина масштабной линейки 20 нанометров. J. K. Lee et al./ Nature Communications, 2018

Для сравнения ученые провели точно такой же эксперимент, но в нем каплю раствора восстановителя заменили на простую воду. Ожидалось, что в этом случае не произойдет образования золота, однако оказалось, что и такая схема приводит к образованию металлических наночастиц. При тех же условиях, что и в первом эксперименте, происходило образование таких же частиц диаметром семь нанометров, большая часть из которых, правда, собиралась в более крупные агломераты размером около 30 нанометров. Ученые показали, что к образованию наночастиц в этом случае не может приводить столкновение капель между собой или взаимодействие с электронным пучком при микроскопических исследованиях. Также ученые отбросили несколько других возможных причин образования золотых частиц и пришли к выводу, что восстановление в летящих аэрозольных микрокаплях происходит самопроизвольно за счет сочетания нескольких факторов, в частности возможных реакций, проходящих на поверхности раздела вода-воздух.

Если же в такой системе включить еще и внешнее электрической поле, то кроме сферических частиц, в растворе происходит образование золотых нанопроволок диаметром около семи нанометров и длиной более двух микрометров. В результате выстраивания частиц внутри капли под действием электрического поля, они образуют протяженные структуры, которые растут от поверхности вглубь капли.

Микрофотографии золотых нанопроволок, которые образовались в результате предложенной схемы синтеза. Длины масштабных линеек — 1 микрометр (a), 100 нанометров (b, f), 20 нанометров (c, g, h), 300 нанометров (e). J. K. Lee et al./ Nature Communications, 2018

По словам ученых, полученные ими результаты могут оказаться полезными для дальнейшего использования по нескольким причинам. Во-первых, при использовании восстановителя аэрозольный метод дает возможность управлять кинетикой реакции, меняя скорость образования наночастиц золота на несколько порядков. Во-вторых, метод получения наночастиц без использования восстановителя может лечь в основу технологий, менее вредных для окружающей среды.

Современные технологии позволяют получать золотые наночастицы самых разнобразных форм. Это могут быть, например, нанозвездочки или нанострелки, а с помощью ДНК-оригами ученые научились придавать золотым наночастицам почти любую форму: например галстука-бабочки, креста или буквы Z. Другая группа ученых в качестве вспомогательного реагента для синтеза золотых наночастиц использовала аминокислоту цистеин, благодаря которой удалось получить довольно замысловатые по форме хиральные наночастицы с геометрией свернутых спиральных кубиков.

Автор: Александр Дубов