Эмерджентные свойства магнитных ионов и наночастиц в мицеллярных растворах ПАВ

Цель исследования. Сообщить об эмерджентных (неожиданных) свойствах магнитных материалов по сравнению с ожидаемыми при получении их в водных мицеллярных растворах ПАВ (водных квантовых материалах). 

Методы. Химический синтез магнитных наночастиц в водных мицеллярных растворах ПАВ различной природы. Характеризация магнитных растворов и наночастиц методами магнитных измерений, спектроскопии, дифрактометрии, малоугловой рентгеновской дифракции, сканирующей зондовой микроскопии  и др.

Результаты. Термин «водный квантовый материал» относится к материалам (мицеллярным растворам), свойства которых в основном определяются ядерным квантовым эффектом в макроскопических масштабах (эмерджентное свойство) и которые демонстрируют явления и функциональные возможности,  не ожидаемые в классической теории мицеллобразования. Ядерный квантовый эффект описан в статьях  и патентах  авторов и есть мейнстрим современного  научного направления. В статье подробно представлены экспериментально подтвержденные эмерджентные свойства магнитных материалов, полученных в водных мицеллярных растворах ПАВ. В частности, ионы Gd³⁺ в водно-мицеллярном  растворе  додецилсульфата натрия (ДСН) проявляют парамагнитные свойства, а в жидких кристаллах  (CH3COO^-)3Gd³⁺−вода−ундекан – ферромагнитные свойства. Гибридные наночастицы Gd/Pt, получаемые  в квантовом материале с хлоридом цетилпиридиния (ЦПХ) Pt-Gd, проявляют аномальные магнитные свойства. Наноразмерные порошки феррита кобальта и феррита никеля, получаемые  в мицеллярном растворе додецилсулфата натрия, обладают суперпарамагнитными свойствами, что характерно для магнитных наноматериалов.

Заключение. Синтез наночастиц в квантовом материале открывает возможность восстановления  ионов разных знаков за одну стадию при переработке отходов металлургии с целью получения наночастиц различных металлов и их композитов. Магнитные наночастицы, получаемые в квантовом материале ПАВ, самоорганизуются на различных подложках, что позволяет создавать материалы, остаточная намагниченность и коэрцитивное поле которых можно регулировать при комнатных температурах. 

1. Synthesis of gadolinium nanoscale metal−organic framework with hydrotropes: manipulation of particle size and magnetic resonance imaging capability / Wilasinee Hatakeyama, Talia J. Sanchez, Misty D. Rowe [et al.] // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2011. Vol. 3, no. 5. P. 1502–1510.

2. Lu A. H., Salabas E. L., Schüth F. Magnetic nanoparticles: synthesis, protection, functionalization and application // Angewandte Chem. 2007. Vol. 46, no. 8. P. 1222–1244.

3. Surfactant-controlled size and shape evolution of magnetic nanoparticles / Gyu Leem, Subhasis Sarangi, Shishan Zhang [et al.] // Cryst. Growth Des. 2009. Vol. 9. P. 32–34.

4. Thermosensitive polymer (N-isopropylacrylamide) coated nanomagnetic particles: Preparation and characterization / N. Shamim, L. Hong, K. Hidajat [et al.] // Colloids Surfaces B: Biointerfaces. 2007. Vol. 55, no. 1. P. 51–58.

5. Синтез наночастиц основного ацетата меди (II) в мицеллярных водных растворах и их самоорганизация в пленочных структурах / Н. А. Борщ, Н. В. Кувардин, Л. С. Агеева [и др.] // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2020. Т. 10, № 4. С. 137–158.

6. Surfactants and Polymers in Aqueous Solution / Krister Holmberg, Bo Jönsson, Bengt Kronberg [et al.]. 2th ed. Wiley, UK, 2003. 568 p.

7. Magnetic properties of Gd (III) in aqueous micellar systems / Yu. A. Mirgorod, A. S. Chekadanov,

8. A. M. Yanushkevich [et al.] // Magnetohydrodynamics. 2018. Vol. 54 (3). P. 299–308. 8. Пат. 2369466 Рос. Федерация, МПК B22F 9/24, B82B 3/00. Способ получения наночастиц металлов или гибридов наночастиц металлов / Миргород Ю. А., Борщ Н. А. № 2008107359/02; заявл. 26.02.2008; опубл. 10.10.2009, Бюл. № 28.

9. Получение и характеризация хлопчатобумажной ткани, модифицированной наночастицами меди / Ю. А. Миргород, Н. А. Борщ, В. Г. Бородина, Г. Ю. Юрков // Химическая промышленность. 2012. Т. 89, № 6. С. 310–316.

10. Vorobiova I. G., Borshch N. A., Mirgorod Yu. A. The structure of Mn and Co nanoparticles obtained in direct surfactant micelles // Journal of Nano- and Electronic Physics. 2017. Vol. 9, no. 5. Р. 050361–05036-4.

11. Geesink H. J. H., Jerman I., Meijer D. K. F. Water, the cradle of life via its coherent quantum frequencies // Water. 2020. Vol. 11. P. 78–108.

12. Contrast Agents I: Magnetic Resonance Imaging / ed. by W. Krause. Vol. 1. Heidelberg: Springer, Berlin, 2002. 249 p.

13. Salt C., Lennox A. J., Takagaki M. Boron and gadolinium neutron capture therapy // Rus. Chem. Bull. Intern. ed. 2004. Vol. 53, no. 9. P. 1871–1888.

14. Tokura Y., Kawasaki M., Nagaosa N. Giant topological Hall effect in correlated oxide thin films // Nature Phys. 2017. Vol. 13. P. 1056–1068.

15. Пат. 2730433 Рос. Федерация, МПК G01N 23/20, G01N 25/48, СПК G01N 23/20. Способ измерения параметров фазового перехода жидкость-жидкость и мицеллообразования / Миргород Ю. А., Емельянов С. Г., Пугаческий М. А. № 2020102208; заявл. 02.03.2020; опубл. 21.08.2020, Бюл. №24.

16. Пат. 2720399 Рос. Федерация, МПК G01N 25/02, G01N 25/48, G01K 17/00. Способ измерения параметров фазового перехода жидкость-жидкость / Миргород Ю. А. № 2019130369; заявл. 26.09.2019; опубл. 29.04.2020, Бюл. № 13.

17. Mirgorod Yu. A. Quantum nuclear effect in aqueous ionic surfactant and polyelectrolytes solutions // Bio-Inspired Nanomaterials - Nature Conferences. Seoul, South Korea, 2021. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.32364.08325.

18. Mirgorod Yu. A., Chekadanov A. S., Storogenko A. M. Supplementary information for nuclear quantum effect in aqueous micellar surfactant solutions // Content uploaded by Yuri Mirgorod. URL: http://www.researchgate.net/publication/359368949 (дата обращения: 02.09.2022). https://doi.org/10.13140/RG.2.2.20090.98242.

19. Синтез наночастиц на основе гадолиния в системе прямых мицелл ПАВ и исследование их магнитных свойств / Ю. А. Миргород, Н. А. Борщ, А. А. Реутов, Г. Ю. Юрков, В. М. Федосюк // Журнал прикладной химии. 2009. Т. 82, № 8. С. 1261–1267.

20. Small-angle X-ray scattering study of metal nanoparticles prepared by photoreduction in aqueous solutions of sodium dodecyl sulfate / Masafumi Harada, Kenji Saijo, Naoki Sakamotoet [et al.] // Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. 2009. Vol. 345. P. 41–50.

21. Структура и магнитные свойства наночастиц феррита кобальта, синтезированных в системе прямых мицелл амфифилов с использованием ионной флотоэкстракции / Ю. А. Миргород, Н. А. Борщ, В. М. Федосюк, Г. Ю. Юрков // Журнал физической химии. 2012. Т. 86, № 3. С. 489–495.

22. Магнитные свойства наночастиц феррита никеля, полученных флотоэкстракционным методом / Ю. А. Миргород, Н. А. Борщ, В. М. Федосюк, Г. Ю. Юрков // Неорганические материалы. 2012. Т. 48, № 12. С. 1375–1380.

23. Hansen M. F., Morup S. J. Estimation of blocking temperatures from ZFC/FC curves // Magn. Mater. 1999. Vol. 203. P. 214–216.

24. Получение наноматериалов из водных растворов, моделирующих отходы гидрометаллургии / Ю. А. Миргород, Н. А. Борщ, Г. Ю. Юрков // Журнал прикладной химии. 2011. Т. 84, № 8. С. 1249–1253.

25. Миргород Ю. А., Емельянов С. Г. Комплексная технология получения наноматериалов из бедных руд и отходов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2015. № 1. С. 153–162.

26. Kirsten B. M., Kirsten P., Sarah P. Soft Magnets from the self-organization of magnetic nanoparticles in twisted liquid crystals // Angewandte Chem. 2014. Vol. 53. P. 46.

27. Lisiecki I. From the Co Nanocrystals to Their Self-organizations: towards ferromagnetism at room temperature // Acta phys. Polonica. A 2012. Vol. 121, no. 2. P. 426–433.

28. Self-organization of fept nanoparticles on photochemically modified diblock copolymer templates / S. B. Darling, N. A. Yufa, A. L. Cisse [et al.] // Adv. Mater. 2005. Vol. 17. P. 2446–2450.

29. Rusanov A. I., Nekrasov A. G. One more extreme near the critical micelle concentration: optical activity // Langmuir. 2010. Vol. 26. P. 13767–13769.

30. Farinato R. S., Rowell R. L. Transient light scattering in aqueous surfactant systems // J. Colloid and Interface Sci. 1978. Vol. 66. P. 483–489.

31. Mohd Yusof N. S. The effect of sonication on the ion exchange constant, kxbr of ctabr/chlorobenzoates micellar systems // Ultrasonics Sonochemistry. 2021. Vol. 71. P. 105360.

32. On the existence of two states in liquid water: impact on biological and nanoscopic systems / L. M. Maestro, M. I. Marqués, E. Camarillo [et al.] // Int. J. Nanotech. 2016. Vol. 13. P. 89. https://doi.org/10.1504/IJNT.2016.079670.

33. Spirin M. G., Brichkin S. B., Razumov V. F. Diffusion-controlled adsorption kinetics at the interface between air and aqueous micellar solution of heptaethylene glycol monododecyl ether // Colloid Journal. 2013. Vol. 75, no. 4. P. 427–432.

34. Hongyou Fan, Leve E. W., Scullin C. Surfactant-assisted synthesis of water-soluble and biocompatible semiconductor quantum dot micelles // Nano Lett. 2005. Vol. 5, no. 4. P. 645–648.

35. Rusanov A. I., Krotov V. V., Nekrasov A. G. Extremes of some foam properties and elasticity of thin foam films near the critical micelle concentration // Langmuir. 2004. Vol. 20, no. 4, P. 1511–1516. https://doi.org/10.1021/la0358623.