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: timofeev-ss@mail.com
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: timofeev-ss@mail.com
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.
Скачать