1017 ОКИСЛЕНИЕ НАНОПОРОШКОВ Al/AlN/Cu И Al/ALN/Zn
реклама
X МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ 1017 «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» ОКИСЛЕНИЕ НАНОПОРОШКОВ Al/AlN/Cu И Al/ALN/Zn ВОДОЙ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОРБЕНТОВ С.С.Тимофеев Научный руководитель: д.т.н. М.И. Лернер ИФПМ СО РАН, Россия, г. Томск, пр. Академический 2/4, 634021 E-mail: [email protected] WATER OXIDATION OF Al/AlN/Cu AND Al/AlN/Zn NANOPOWDERS TO PRODUCE MICROBIOLOGICAL ACTIVITY SORBENT S.S. Timofeev Scientific Supervisor: Dr. M.I. Lerner ISPMS SB RAS, Russia, Tomsk, pr. Akademicheski, 634021 E-mail: [email protected] Using continuous recording of pH, the relationship of conversion of Al/AlN/Cu and Al/AlN/Zn nanopowders in water are studied. The phase composition, morphology and surface area of the reaction products are investigated. The antibacterial activity of the transformation products are examined in a model E.coli bacteria solution. Современным направлением лечения раневых инфекций является применение адсорбентов с антибактериальными свойствами. К перспективным микробиологическим сорбентам относится оксигидроксид алюминия, получаемый реакцией взаимодействия с водой электровзрывных порошков алюминия или алюмонитридной композиции, модифицированный частицами коллоидного серебра [1]. Известно, что антимикробной активностью обладают также Cu и Zn. Исходя из этого, целью настоящей работы является изучение реакции многокомпонентных наночастиц Al/AlN/Cu и Al/AlN/Zn с водой для получения сорбентов с антимикробными свойствами. Таблица – Характеристика прекурсора и продуктов окисления нанопорошков в воде Al/AlN/Cu 1 2 3 4 5 ССu в прекурсоре, масс % 0,1 1 5 10 25 6 50 Образец Al/AlN/Zn Sуд продуктов окисления, м2/г Образец 270 303 272 289 261 7 8 9 10 11 СZn в прекурсоре, масс % 0,1 1 5 10 25 158 12 50 Sуд продуктов окисления, м2/г 291 297 302 289 264 140 В качестве прекурсоров были выбраны нанопорошки Al/AlN/Cu (50 масс % Cu), Al/AlN/Zn (50 масс % Zn) и Al/AlN, полученные методом электрического взрыва проводников в атмосфере азота [2]. Сорбенты получали реакцией нанопорошков с водой. Кинетику реакции окисления исследовали методом непрерывной регистрации рН реакционной смеси при Т=60 °C в избытке воды и постоянном перемешивании. Содержание антимикробного компонента в продуктах превращения регулировали добавлением нанопорошка Al/AlN к прекурсору таким образом, что концентрация Cu и Zn в исходной РОССИЯ, ТОМСК, 23 – 26 АПРЕЛЯ 2013 У.М.Н.И.К. X МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ 1018 «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» смеси изменялась в пределах 0,1 – 50 масс % (табл.). По данным РФА при параллельном взрыве проводников Al и Cu в атмосфере азота в составе нанопорошков формируются фазы Cu, Al, AlN, интерметаллидов (AlCu2, Cu4Al, Al9Cu) и их твердых растворов. В исходной композиции Al/AlN/Zn определяются фазы Al, AlN и Zn. Интегральные кинетические кривые изменения рН всех реакционных смесей имеют S-образную форму (рис. 1), а дифференциальные проходят через максимум (рис. 2), что характерно для топохимической реакции. Окисление Al/AlN/Cu протекает в несколько стадий, в течение которых происходит гидратация и растворение оксидной пленки, гидролиз нитрида алюминия, реакция Al с водой и окисление Cu. При окислении Al/AlN/Zn наблюдается схожий многостадийный процесс, связанный с последовательным взаимодействием исходных компонентов с водой. Следует отметить, что при увеличении количества нитрида алюминия в реагирующей смеси Al/AlN/Zn происходит сокращение индукционного периода с 7 до 1 мин. Это объясняется тем, что при гидролизе AlN выделяется аммиак, увеличивающий pH реакционной смеси и способствующий росту скорости реакции окисления. Рис.1 – Интегральные кинетические кривые изменения pH реакционной смеси в процессе окисления водой наночастиц Al/AlN/Cu (слева) и Al/AlN/Zn (справа) По данным РФА продукты Рис.2 – Дифференциальные кинетические кривые изменения pH реакционной смеси в процессе окисления водой наночастиц Al/AlN/Cu (слева) и Al/AlN/Zn (справа) взаимодействия Al/AlN/Cu с водой представлены плохо окристаллизованным бемитом, байеритом, непрореагировавшими Cu и интерметаллидами, и оксидами меди. Изучение морфологии продуктов превращения методом ПЭМ с помощью электронного микроскопа JEM-2100 с детектором рентгеновского излучения X-Max показало, что продукты превращения представлены агломератами нанопластин оксигидроксида алюминия в виде 3D-структур с включениями частиц меди и оксидов меди (рис.3А). РФА продуктов окисления Al/AlN/Zn показал наличие плохо окристаллизованного бемита, γ-оксида алюминия, оксида цинка, который на ПЭМ-микрофотографиях представлен в виде ограненных пластинок, окруженных агломератами нанолистов оксигидроксида алюминия (рис.3Б). Методом тепловой десорбции азота установлено, что с увеличением содержания Al/AlN/Cu в прекурсоре удельная поверхность продуктов превращения уменьшается с 303 до 158 м 2/г. Удельная поверхность продуктов превращения нанопорошков, содержащих Al/AlN/Zn уменьшается с 302 до 140 м2/г по мере снижения содержания Al/AlN в смеси (табл.). Исследование антимикробной активности сорбентов с различным содержанием Cu и Zn проводили в статических условиях [1] на примере микроорганизмов E.coli. Результаты исследования показали, что снижение концентрации бактерий E.coli в суспензии зависит от содержания меди или цинка в сорбенте и времени контакта образцов с бактериальной суспензией при исходной концентрации микроорганизмов 2×107 КОЕ/мл. Через 1 час контакта образцов 1 и 2 (Cu) и образцов 7-10 (Zn) обнаруживается остаточное РОССИЯ, ТОМСК, 23 – 26 АПРЕЛЯ 2013 У.М.Н.И.К. X МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ И МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ 1019 «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ НАУК» содержание микроорганизмов в надосадочной жидкости (рис.4). Однако через 3 часа контакта микроорганизмы отсутствуют во всех пробах. Рис. 3 –ПЭМ-изображение продуктов превращения наночастиц Al/AlN/Cu (А), Al/AlN/Zn (Б) Рис. 4 – Концентрация бактерий E.coli в надосадочной жидкости после 1 часа контакта образцов с микроорганизмами Таким образом, при реакции окисления электровзрывных нанопорошков Al/AlN/Cu в воде образуются агломераты нанопластин оксигидроксида алюминия с включениями непрореагировавших интерметаллидов и меди. При реакции Al/AlN/Zn с водой образуются оксигидроксид алюминия и ограненные пластинки оксида цинка. Изменение концентрации Al/AlN в составе прекурсора позволяет регулировать количество антимикробного компонента в продуктах реакции окисления, обеспечивая равномерное распределение в объеме сорбента. Высокая сорбционная активность оксигидроксида алюминия обеспечивает иммобилизацию бактерий благодаря специфической 3D-структуре. Антимикробное действие полученных сорбентов основано на известной способности меди или цинка взаимодействовать с микроорганизмами, нарушая метаболизм микробной клетки, что приводит к ее гибели. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Серова А.Н., Пехенько В.Г, Тихонова И.Н., Глазкова Е.А., Бакина О.В., Лернер М.И., Псахье С.Г. Антимикробная активность перевязочного материала, импрегнированного коллоидным серебром // Сиб. Мед. Журнал, 2012, т. 27, №3, с. 137-141 2. Лернер М.И., Сваровская Н.В., Псахье С.Г., Бакина О.В. Технология получения, характеристики и некоторые области применения электровзрывных нанопорошков металлов. // Российские нанотехнологии. 2009. Т. 4. № 9. С. 6-18 РОССИЯ, ТОМСК, 23 – 26 АПРЕЛЯ 2013 У.М.Н.И.К.
