Химики СПбГУ синтезировали железные спирали тоньше человеческого волоса

Исследователям Санкт-Петербургского государственного университета удалось синтезировать микроспирали соединений железа диаметром около 12 микрон — почти в десять раз тоньше человеческого волоса. Их можно будет использовать, например, для создания сенсоров с высокой чувствительностью, а также в качестве миниатюрных электромагнитов или индукторов. Результаты исследования опубликованы в журнале издательства Wiley «Particle & Particle Systems Characterization».

Обычно создание микроструктур сложной формы требует множества трудоемких и точных операций: например, чтобы использовать в микроустройстве компонент в форме спирали, сначала необходимо вытянуть проволоку нужного диаметра, а потом сформировать из неё спираль с нужным количеством витков. Именно поэтому прямой синтез микроструктур сложной формы является важным направлением развития современного материаловедения.

В работе учёных СПбГУ представлен оригинальный способ создания микроспиралей диаметром от 10 до 20 микрометров. Исследователи смогли показать, что с помощью простых химических реакций можно получить миниатюрные «пружинки» из оксида железа или металлического железа. Применять эту разработку можно в самых разных областях. Например, порошок из таких спиралек обладает большой удельной поверхностью, что важно при создании эффективных катализаторов или сенсоров с высокой чувствительностью.

Так, электрокаталитические характеристики микроспиралек оксида железа, несмотря на их дешевизну, сравнимы с показателями катализаторов на основе ряда благородных металлов, которые широко используются при электролизе воды. С другой стороны, одна спиралька может служить самостоятельным компонентом микроэлектроники, например, оксидная спиралька — электродом микросенсора, а металлическая спиралька, благодаря своей форме и магнитным характеристикам, — электромагнитом или индуктором.

Чтобы получить такие микроструктуры, научная группа химиков СПбГУ развивает простой и эффективный маршрут синтеза, основанный на взаимодействии реагентов на границе раздела водного раствора и газовой среды. Ранее с помощью данного метода удалось вырастить нанокристаллы неорганических соединений с одно- и двумерной морфологией (стержни и листы), а также сложные архитектуры в виде наноцветов. Однако, как считают исследователи, главное достоинство метода — возможность получать микро- и нанотрубки с морфологией свитков различных классов неорганических соединений: оксидов, фторидов, сульфидов и т. д.

В работе впервые показано, как микросвитки могут делиться на спирали, причём с помощью тепловой обработки их высоту можно регулировать. Всем известен метод самосборки наноструктур. Мы хотим обосновать новый подход при создании микро- и наноразмерных материалов, основанный на управляемой "саморазборке" массива более крупных объектов, открывающий возможности "самопроизвольного" получения упорядоченных нанообъектов с использованием методологии "сверху — вниз", — подчеркнул один из авторов исследования, профессор СПбГУ, доктор химических наук Валерий Толстой.

Метод синтеза, который развивает наша группа, позволяет легко модифицировать состав микроспиралек, введя в структуру другие элементы, и в результате получить микроспиральки двойного оксида или сплава на основе железа. Это значит, что мы можем управлять функциональными свойствами микроспиралек в широком диапазоне для улучшения характеристик изделий на их основе, — отметила один из авторов исследования, старший научный сотрудник СПбГУ кандидат химических наук Лариса Гулина.

В исследовании также приняли участие инженер-исследователь кандидат химических наук Артём Лобинский и доцент, кандидат физико-математических наук Юрий Петров. Кстати, необычная форма синтезированных микроструктур привлекла внимание редакторов журнала одного из самых рейтинговых журналов в области биотехнологий NanoToday. Фотография спиралек, полученная с помощью уникального оборудования и опытных специалистов междисциплинарного ресурсного центра СПбГУ по направлению «Нанотехнологии», после художественной обработки победила в конкурсе издания. Изображение поместили на обложку 18-го номера журнала NanoToday (февраль 2018).

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда № 16-13-10223.