Ученые Санкт-Петербургского государственного университета совместно со специалистами Университета «Сириус» и Академического университета создали самые маленькие наночастицы металл-органических полимеров, которые позволят определить содержание тяжелых металлов в воде.
Металл-органические полимеры, или металл-органические каркасные структуры (МОКС, не путать с такой же аббревиатурой для ядерного МОКС-топлива), — это соединения, в которых ионы металлов связаны между собой органическими молекулами — линкерами. Используя разные комбинации металлов и линкеров, можно получать материалы с различными структурой и свойствами. Сегодня соединения на основе МОКС используются при производстве электрохимических сенсоров, в химической промышленности как катализаторы реакций, а также в качестве присадки к ракетному топливу.
Некоторые соединения являются люминофорами, то есть способны излучать свет под действием ультрафиолета, электромагнитного поля или других возмущений. Люминесцентные МОКС используются для создания экранов мониторов и люминесцентных термометров, а также для диагностики раковых заболеваний. Кроме того, люминофоры могут быть использованы в качестве высокочувствительных сенсоров для обнаружения вредных веществ за счет своих люминесцентных свойств.
Химики СПбГУ синтезировали самые маленькие наночастицы с помощью ультразвука. Для этого на ультразвуковой бане к раствору хлорида европия ученые медленно — буквально по каплям — добавляли раствор терефталата натрия, что приводило к образованию осадка. Ультразвуковые волны в данном случае помогают тщательнее перемешивать раствор, замедляют рост частиц и предотвращают их слипание — все это позволяет сделать соединение более стабильным.
В результате синтеза ученые смогли получить частицы разных размеров: от восьми нанометров до сотен микрон. На текущий момент синтезированные химиками СПбГУ восьминанометровые наночастицы терефталата европия являются самыми маленькими частицами металл-органических каркасных структур редкоземельных элементов.
«Мы не ожидали, что уменьшение концентрации реагирующих веществ всего в два раза приведет к уменьшению размера частиц почти в тысячу раз. Вероятно, такой эффект связан с присутствием в растворе комплекса европий-терефталат в соотношении 1:1, который способствует более быстрому росту числа зародышей кристаллов. Раньше исследователям удавалось получить наночастицы терефталата европия диаметром 40 нанометров и больше. Мы же синтезировали частицы в пять раз меньше», — поделился руководитель исследования, доцент кафедры лазерной химии и лазерного материаловедения СПбГУ доктор химических наук Андрей Мерещенко.
Разработанный химиками способ синтеза наночастиц вносит большой вклад в нанотехнологию и координационную химию, поскольку дает возможность синтезировать наночастицы из других металл-органических каркасных структур. Во время исследования эксперты СПбГУ также обнаружили, что ионы тяжелых металлов существенно тушат люминесценцию полученных наночастиц, что позволяет использовать их в качестве сенсоров для обнаружения ионов тяжелых металлов в воде.
«Это открытие поможет создать эффективные сенсоры для контроля содержания ионов тяжелых металлов в питьевой воде. Чувствительность наших люминофоров немного ниже предельно допустимых концентраций, что позволит точно определить присутствие опасных веществ в воде, причем в малых концентрациях, благодаря размеру наночастиц», — рассказал один из авторов работы, обучающийся СПбГУ по направлению «Химия» Виктор Носов.
Полученные учеными наночастицы также могут быть использованы как люминесцентные сенсоры для определения ионов железа, меди и хрома в воде. Содержание этих металлов в воде может быть опасно для человека и животных, поскольку их накопление в тканях организма влияет на метаболизм и может впоследствии приводить к заболеваниям нервной и кровеносной систем, а также желудочно-кишечного тракта. В дальнейшем химики планируют продолжить исследование и заняться созданием экспресс-теста для определения ионов тяжелых металлов в питьевой воде, а также в сточных водах.
Исследование, поддержанное Российским фондом фундаментальных исследований (проект № 20-33-70025 «Влияние растворителя на динамику роста и строение металл-органических каркасных структур»), проводилось на базе кафедры лазерной химии и лазерного материаловедения СПбГУ с использованием оборудования ресурсных центров Научного парка СПбГУ, а также в научно-техническом Университете «Сириус».