Эмерджентные свойства магнитных ионов и наночастиц в мицеллярных растворах ПАВ: Использование для тонких технологий

Цели. Выявить предполагаемые эмерджентные (неожиданные) свойства магнитных материалов при их получении в водных мицеллярных растворах поверхностно-активных веществ (ПАВ) (водных квантовых материалах), которые можно использовать для тонких технологий.

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 другими.

Результаты. Термин «водный квантовый материал» относится к материалам (мицеллярным растворам), свойства которых в основном определяются ядерным квантовым эффектом в макроскопических масштабах (эмерджентное свойство). Мицеллярные растворы демонстрируют явления и функциональные возможности, не всегда соотносимые с классической теорией мицеллобразования. В статье подробно представлены экспериментальные результаты, которые позволяют предположить проявление эмерджентных свойств магнитных материалов, получаемых в водных мицеллярных растворах ПАВ. В частности, ионы гадолиния Gd³⁺ в водно-мицеллярном растворе додецилсульфата натрия проявляют парамагнитные свойства, что, возможно, указывает на их беспорядочное расположение в растворе вопреки классической теории мицеллообразования с адсорбционным упорядоченном слое на мицеллах. Гибридные наночастицы Gd–Pt образуются в квантовом материале с хлоридом цетилпиридиния в качестве матрицы, хотя ионы Gd³⁺ должны отталкиваться ионами цетилпиридиния ЦП+ на  мицеллах. Наноразмерные порошоки феррита кобальта и феррита никеля, получаемые в мицеллярном растворе додецилсулфата натрия, обладают суперпарамагнитными свойствами, хотя присутствие их прекурсорных ионов в адсорбионном слое в классических мицеллах должно было бы привести к ферромагнитным свойствам.

Выводы. 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. Таким образом, показано, каким образом эмерджентные свойства квантовых материалов можно применять для тонких технологий.

1. Hatakeyama W., Sanchez T.J., Rowe M.D., et al. Synthesis of Gadolinium Nanoscale Metal−Organic Framework with Hydrotropes: Manipulation of Particle Size and Magnetic Resonance Imaging Capability. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2011;3(5):1502–1510. https://doi.org/10.1021/am200075q

2. Lu A.H., Salabas E.L., Schüth F. Magnetic nanoparticles: synthesis, protection, functionalization and application. Angew. Chem. 2007;46(8):1222–1244. https://doi.org/10.1002/anie.200602866

3. Leem G., Sarangi S., Zhang S., et al. SurfactantControlled Size and Shape Evolution of Magnetic Nanoparticles. Crystal. Growth Des. 2009;9(1):32–34. https://doi.org/10.1021/cg8009833

4. Shamim N., Hong L., Hidajat K., et al. Thermosensitive polymer (N-isopropylacrylamide) coated nanomagnetic particles: Preparation and characterization. Colloids Surf. B: Biointerfaces. 2007;55(1):51–58. http://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2006.11.007

5. Holmberg K., Jönsson B., Kronberg B., et al. Surfactants and Polymers in Aqueous Solutions. UK: Wiley; 2003. 568 p. ISBN 978-0-470-85642-0 6. Mirgorod Yu.A., Chekadanov A.S., Yanushkevich A.M., et al. Magnetic properties of Gd (III) in aqueous micellar systems. Magnetohydrodynamics. 2018;54(3):299–308. https://doi.org/10.22364/mhd.54.3.9

6. Mirgorod Yu.A., Borshch N.A. Method of Producing nanoparticles of metal or hybrides of nanoparticles of metals: RF Pat. 2369466 RU. Publ. 10.10.2009 (in Russ.).

7. Mirgorod Yu.A., Borshch N.A., Borodina V.G., Yurkov G.Yu. Production and characterization of cotton fabric modified with copper nanoparticles. Khimicheskaya promyshlennost’ = Chemical Industry. 2012;89(6):310–316 (in Russ.).

8. Vorobiova I.G., Borshch N.A., Mirgorod Yu.A. The structure of Mn and Co nanoparticles obtained in direct surfactant micelles. Journal of Nanoand Electronic Physics. 2017;9(5):05036-1–05036-4. http://doi.org/10.21272/jnep.9(5).05036

9. Geesink H.J.H., Jerman I., Meijer D.K.F. Water, the Cradle of Life via its Coherent Quantum Frequencies. Water. 2020;(11):78–108. http://doi.org/10.14294/WATER.2020.1

10. Krause W. Contrast Agents I: Magnetic Resonance Imaging: Pt. 1. Berlin, Heidelberg: Springer; 2002. 249 p.

11. Salt C., Lennox A.J., Takagaki M. Boron and gadolinium neutron capture therapy. Rus. Chem. Bull. 2004;53(9):1871–1888. https://doi.org/10.1007/s11172-0050045-6

12. Tokura Y., Kawasaki M., Nagaosa N. Emergent functions of quantum materials. Nature Phys. 2017;13:1056–1068. https://doi.org/10.1038/nphys4274

13. Mirgorod Yu.A., Emelyanov S.G., Pugachesky M.A. Method for Measuring the Parameters of Liquid-Liquid Phase Transition and Micellization: RF Pat. 2730433 RU. Publ. 08.21.2020 (in Russ.).

14. Mirgorod Yu.A. Method for Measuring the Parameters of the Liquid-Liquid Phase Transition: RF Pat. 2720399 RU. Publ. 04.29.2020 (in Russ.).

15. Mirgorod Yu.A. Quantum nuclear effect in aqueous ionic surfactant and polyelectrolytes solutions. In: Proc. Bio-Inspired Nanomaterials – Nature Conferences (Nov. 14–15, 2021). Seoul, South Korea. http://doi.org/10.13140/RG.2.2.32364.08325

16. Mirgorod Yu.A. Strongly correlated electronic states in aqueous micellar surfactant systems. Preprint. 2021. https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-660013/v1

17. Mirgorod Yu.A., Borshch N.A., Reutov A.A., Yurkov G.Yu., Fedosyuk V.M. Synthesis of gadoliniumbased nanoparticles in a system of direct surfactant micelles and study of their magnetic properties. Russ. J. Appl. Chem. 2009;82(8):1357–1363. http://doi.org/10.1134/s1070427209080072

18. Harada M., Saijo K., Sakamotoet N., et al. Smallangle X-ray scattering study of metal nanoparticles prepared by photoreduction in aqueous solutions of sodium dodecyl sulfate. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. aspects. 2009;345(1–3):41–50. http://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2009.04.015

19. Mirgorod Yu.A., Borsch N.A., Fedosyuk V.M., Yurkov G.Yu. The structure and magnetic properties of cobalt ferrite nanoparticles synthesized in a system of direct micelles of amphiphiles by means of ion flotoextraction. Russ. J. Phys. Chem. A. 2012;86(3):418–423. https://doi.org/10.1134/S0036024412030211

20. Mirgorod Yu.A., Borsch N.A., Fedosyuk V.M., Yurkov G.Yu. Magnetic properties of nickel ferrite nanoparticles prepared using flotation extraction. Inorg. Mater. 2013;49(1):109–114. https://doi.org/10.1134/s0020168512110064

21. Hansen M.F., Mørup S.J. Estimation of blocking temperatures from ZFC/FC curves. J. Magn. Magn. Mater. 1999;203:214–216. https://doi.org/10.1016/s03048853(99)00238-3

22. Mirgorod Yu.A., Borsch N.A., Yurkov G.Yu. Preparation of nanomaterials from aqueous solutions imitating the hydrometallurgy waste. Russ. J. Appl. Chem. 2011;84(8):1314–1318. http://doi.org/10.1134/s1070427211080039

23. Mirgorod Yu.A., Emelyanov S.G. Integrated technology for production of nanomaterials from poor ore and waste. J. Min. Sci. 2015;51(1):164–173. http://doi.org/10.1134/S1062739115010226

24. Matt B., Pondman K.М., Asshoff S.J., et al. Soft Magnets from the Self-Organization of Magnetic Nanoparticles in Twisted Liquid Crystals. Angew. Chem. Int Ed. 2014;53(46):12446–12450. https://doi.org/10.1002/anie.201404312

25. Lisiecki I. From the Co Nanocrystals to Their Self-Organizations: Towards Ferromagnetism at Room Temperature. Acta Phys. Polonica. A. 2012;121(2):426–433. URL: http://przyrbwn.icm.edu.pl/APP/PDF/121/a121z2p58.pdf

26. Darling S.B., Yufa N.A., Cisse A.L., et al. SelfOrganization of FePt Nanoparticles on Photochemically Modified Diblock Copolymer Templates. Adv. Mater. 2005;17(20):2446–2450. https://doi.org/10.1002/adma.200500960

27. Rusanov A.I., Nekrasov A.G. One more extreme near the critical micelle concentration: optical activity. Langmuir. 2010;26(17):13767–13769. https://doi.org/10.1021/la102514a

28. Farinato R.S., Rowell R.L. Transient light scattering in aqueous surfactant systems. J. Colloid and Interface Sci. 1978;66(3):483–491. http://doi.org/10.1016/00219797(78)90069-3

29. Yusof N.S.M. The effect of sonication on the ion exchange constant, KXBr of CTABr/chlorobenzoates micellar systems. Ultrason. Sonochem. 2021;71:105360. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2020.105360

30. Maestro L.M., Marqués M.I., Camarillo E., et al. On the Existence of Two States in Liquid Water: Impact on Biological and Nanoscopic Systems. Int. J. Nanotech. 2016;13(8–9):667–677. http://doi.org/10.1504/IJNT.2016.079670

31. Fan H., Leve E.W., Scullin C., et al. Surfactant-Assisted Synthesis of Water-Soluble and Biocompatible Semiconductor Quantum Dot Micelles. Nano Lett. 2005;5(4):645–648. https://doi.org/10.1021/nl050017l

32. 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;20(4):1511–1516. https://doi.org/10.1021/la0358623