Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

Высокой технологической перспективностью для получения наночастиц, в том числе и многокомпонентных, обладает метод электрического взрыва проводников. Полученные данным методом наночастицы алюмонитридной композиции (Al/AlN) при взаимодействии с водой образуют нанолепестковый псевдобемит, который, благодаря положительному заряду поверхности, проявляет высокие адсорбционные характеристики по отношению к микроорганизмам, и после модифицирования частицами коллоидного серебра широко используется в сорбционном антимикробном материале, предназначенном для лечения поверхностных ран [4]. Однако модифицирование поверхности нанолепесткового псевдобемита путем адсорбции коллоидного серебра снижает его сорбционную емкость. Более перспективным представляется оригинальный метод введения биометаллов непосредственно в прекурсор в процессе его получения методом параллельного электрического взрыва двух проводников – алюминия и биометалла (Cu, Zn). Последующий гидролиз такой дисперсной системы позволяет получить пористые продукты превращения с новой морфологией, фазовым составом, физико-химическими свойствами и создать новые биологически-активные адсорбенты, обладающие антимикробным действием.

Целью работы является получение объемных наноструктурных адсорбентов при взаимодействии с водой биметаллических наночастиц, полученных параллельным электрическим взрывом алюминиевого и цинкового/медного проводников, изучение комплекса их физико-химических свойств и антимикробной активности.

Экспериментальная часть

Нанопорошки композитных частиц Al/AlN/Zn и Al/AlN/Cu получали методом электрического взрыва двух свитых между собой проволок в атмосфере азота [4]. Количественное содержание нитрида алюминия в нанопорошках определяли косвенным спектрофотометрическим методом (Spekol 1300) [2], содержание активного алюминия определяли волюмометрическим методом [3].

Превращение нанопорошков при взаимодействии с водой при 60 °С в течение 60 мин исследовали по изменению рН реакционной согласно методике, описанной в [1]. Продукты отфильтровывали, промывали дистиллированной водой и сушили при 105 °С. Морфологию наночастиц и продуктов гидролиза исследовали методом просвечивающей электронной микроскопии («JEM-2100», JEOL). Фазовый состав порошков и продуктов реакции исследовали на рентгеновском дифрактометре Дрон-7 на CoKα-излучении. Текстурные характеристики определяли по тепловой десорбции азота и рассчитывали методом БЭТ (Сорбтометр М, Катакон). Антимикробную активность полученных образцов определяли микробиологически, взяв по методике, описанной в [6]. В качестве тест-организмов использовали бактерии E. Coli, штамм 7935 в концентрации 105 КОЕ/мл. В качестве питательной среды использовали лактозный агар с Тергитолом-7 и ТТХ. Аналитическим сигналом служило количество микроорганизмов в надосадочной жидкости после адсорбции и количество адсорбированных бактерий.

Результаты исследования и их обсуждение

Наночастицы состава Al/AlN/Zn и Al/AlN/Cu, полученные при содержании алюминия в скрутке ~50 %, имеют, как правило, сферическую форму со средним размером 80 мкм и удельной поверхностью около 15 м2/г. Фазовый состав прекурсоров представлен фазами индивидуальных металлов, твердых растворов и интерметаллидов различного состава, а также нитридом алюминия.

Реакция нанопорошков Al/AlN/Zn и Al/AlN/Cu с водой при 60°C сопровождается ростом рН, газовыделением и саморазогревом. Кривые изменения рН имеют типичную для топохимических реакций S-образную форму, подобно кривым, полученным при окислении нанопорошков Al/AlN [1]. Окисление нанопорошков Al/AlN/Zn и Al/AlN/Сu идет практически без индукционного периода, что также связано с выделением аммиака в процессе гидролиза AlN, сопровождается ростом рН реагирующей системы и, соответственно, увеличением скорости реакции окисления. При этом наночастицы Al/AlN/Сu реагируют с водой более длительное время (около 50 мин).

Продукты взаимодействия Al/AlN/Zn с водой представляют собой смесь пористых объемных агломератов, типичных для нанолепесткового псевдобемита [5] и гексагональных пластинок оксида цинка (рис. 1, а).

По данным фазового анализа в продуктах реакции обнаруживаются фазы псевдобемита, оксида цинка и гидраргиллита (рис. 2, а). Удельная поверхность образцов составляет 230 м2/г. Методами просвечивающей электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа установлено (рис. 1, б), что продукты превращения Al/AlN/Сu представляют собой частицы из агломерированных нанолепестков, в центре которых находится практически сферическое металлическое ядро с высокой концентрацией меди. Величина удельной поверхности продуктов превращения обеспечивается удельной поверхностью нанолепестков и составляет 180 м2/г. Продукты окисления водой наночастиц Al/AlN/Сu (рис. 2, б) включают фазы псевдобемита, меди, интерметаллидов и небольшое количество оксидов меди. Кроме того, обнаруживается гидраргиллит Al(OH)3, образующийся при старении образцов в результате фазового превращения псевдобемита.

а б

Рис. 1. ПЭМ- изображения продуктов превращения Al/AlN/Zn (а) и Al/AlN/Сu (б)

а   б

Рис. 2. Дифрактограммы продуктов превращения Al/AlN/Zn (а) и Al/AlN/Сu (б)

На втором этапе работы было проведено определение антимикробной активности продуктов превращения нанопорошков Al/AlN/Zn и Al/AlN/Cu (таблица). Результаты подсчета количества колоний E. coli, выросших на плотной питательной среде после воздействия суспензий образцов, показывают, что антимикробное действие сорбентов возрастает при увеличении времени экспозиции.

Данные микробиологических исследований

При введении в микробную суспензию 0,3 % суспензии продуктов превращения Al/AlN/Cu сразу же наблюдается сокращение числа микроорганизмов в надосадочной жидкости в 5 раз. При дальнейшем увеличении времени экспозиции отмечено отсутствие роста микроорганизмов на плотной питательной среде как пробы надосадочной жидкости, так и пробы адсорбента, что говорит о высокой антимикробной активности полученных наноструктур. Бактерицидная активность образцов, полученных из Al/AlN/Zn, проявляется через 3 часа экспозиции с микробной взвесью концентрацией 105 КОЕ/мл. При этом наблюдается 100 % гибель адсорбированных бактерий на образце адсорбента.

Таким образом, установлена высокая антимикробная активность полученных наноструктур в отношении тест-бактерии E.coli.

Выводы

1. Продукты взаимодействия с водой наночастиц Al/AlN/Cu представляют собой наноразмерные фазы твердых растворов меди и алюминия, оксидов меди, окруженные нанолепестками псевдобемита.

2. При взаимодействии с водой наночастиц состава Al/AlN/Zn образуются сложные пористые структуры, состоящие из агломерированных нанолепестков псевдобемита и гексагональных пластинок оксида цинка.

3. Полученные продукты проявляют антимикробное действие по отношению к тестовой культуре – бактериям E. Coli, более выраженное в случае применения наночастиц, имеющих в своем составе Cu.

Работа выполнена при финансовой поддержке ГК 14.527.12.0001 и Программы III.23.2.3.

Рецензенты:

Мамаева В.А., д.т.н., научный руководитель технологической группы ООО «Сибспарк» – резидента особой экономической зоны, г. Томск.

Коботаева Н.С., д.х.н., старший научный сотрудник Учреждения Российской академии наук «Институт химии нефти» Сибирского отделения РАН, г. Томск.