Концентрированные растворы металлов могут стать чернилами нового поколения для 3D-печати

Красноярские ученые разработали простой и результативный метод производства растворов с высокой концентрацией металлов — до 1800 грамм на литр. Такой подход позволит создавать более эффективные токо- и теплопроводящие чернила для 3D-печати, антимикробные средства и наножидкости.

Благодаря своим уникальным свойствам органозоли наночастиц серебра широко используются в оптических и полупроводниковых приборах, производстве электро- и теплопроводящих пленок, а также в качестве катализаторов и антибактериальных материалов, однако большинство существующих методов получения органозолей наночастиц имеют свои ограничения. Они могут снижать эффективность и рентабельность производства, требуют утилизации и переработки больших объемов отработанных растворов, а итоговая концентрация наночастиц серебра редко превышает сто грамм на литр.

Ученые Красноярского научного центра СО РАН создали раствор со сверхвысоким содержанием наночастиц серебра. Метод заключается в приготовлении гидрозоля — водной фазы наночастиц серебра, а затем переводе его в органозоль — органическую фазу, сообщает пресс-служба Красноярского научного центра.

«Основное различие между органозолями и гидрозолями заключается в типе среды: органозоли имеют органическую среду, а гидрозоли — водную. Преимущество органозолей перед гидрозолями заключается в том, что органозоли содержат органические растворители, такие как спирты и эфиры, которые обеспечивают лучшую стабильность и совместимость с различными материалами и поверхностями. Это делает органозоли более эффективными», — рассказал старший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН Сергей Воробьев.

Для перевода наночастиц в органическую фазу к очищенному гидрозолю серебра ученые добавляют деионизированную воду и ортоксилол — нефтяной продукт, представляющий собой комбинацию органических веществ. Будучи малолетучим, умеренно токсичным и относительно дешевым, это вещество оказалось наиболее эффективным в процессе экстракции. После перемешивания получившаяся смесь разделяется на темно-желтый верхний органический слой и бесцветный водный слой с небольшим количеством черного осадка на дне.

«В своей работе мы использовали метод фазового переноса. Этот метод заключается в первоначальном приготовлении гидрозолей наночастиц серебра с последующим переводом частиц в органическую фазу. Мы синтезировали гидрозоли наночастиц металлического серебра предложенным ранее модифицированным цитрат-сульфатным методом. Перевод в органическую фазу повышает гидрофобность наночастиц, при этом их размер и форма практически не меняются. Полученные органозоли серебра стабильны, то есть менее склонны к слипанию, укрупнению, растворению и окислению, и могут быть концентрированы путем частичного удаления растворителя до содержания металлов 1800 грамм на литр», — рассказал Сергей Воробьев.

Помимо высокой концентрации разработанные органозоли обладают высокой стабильностью, сохраняющейся более семи месяцев, а также выдерживают многократные циклы сушки и возвращения в зольную форму. Предложенная красноярскими специалистами методика позволит разрабатывать чернила для 3D-печати, антимикробные средства и наножидкости.

«Наши растворы гораздо более концентрированы, дешевы, безопасны в получении, а также очень производительны по сравнению с аналогами. Концентрат, основанный на частицах серебра, значительно превосходит как зарубежные, так и отечественные разработки по многим характеристикам. Другие разработки имеют концентрацию не более пятисот грамм на литр и требуют трудоемкой процедуры получения. Наша технология уникальна и позволяет использовать серебро в виде нитрата, который восстанавливается в определенных условиях, а продукт можно использовать в принтерах для создания проводящих дорожек без необходимости отжига. Это открывает путь к производству печатной и наносимой дешевой электроники на гибких основах, таких как печатные платы и тонкие серебряные пленки», — рассказал Сергей Воробьев.

Исследователи попробовали получить из новых органозолей серебра металлические пленки. Для этого органозоли наносили на сухую и обезжиренную поверхность стекла. После испарения ортоксилола на нем образовывалась пленка с характерным металлическим блеском серебристого цвета. Полученные пленки имели толщину в один микрометр и высокую электропроводность, которая возрастала более чем в шесть раз после термообработки пленки. Ученые также обнаружили, что увеличив количество наносимого раствора, можно получить более толстые пленки толщиной до двадцати микрометров.

Исследователи предполагают, что практически любой материал в наноразмерном состоянии может быть концентрирован в зольных растворах предложенным методом. Например, специалисты синтезировали концентрированные гидрозоли наночастиц магнетита с содержанием 1350 грамм на литр и оксида меди с концентрацией металла около одного килограмма на литр. Такие разработки могут найти применение в биомедицине для адресной доставки лекарственных средств: лекарство присоединяется к магнитной наночастице, которая при помощи внешнего магнитного поля направляется в раковую клетку. Гидрозоли также можно использовать для обогащения разных видов руды, в процессах экстракции, например золотых руд, и в создании метаматериалов.

Результаты исследования опубликованы в издании Colloid Journal.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.