Наномагнетики з пористою структурою та їх сорбційні властивості

Наукове повідомлення молодого вченого на засіданні Президії НАН України 15 лютого 2012 року. У повідомленні наведено результати досліджень нових наномагнетиків з пористою структурою. Встановлено фактори, що впливають на магнітні властивості таких систем, досліджено вплив адсорбції/десорбції діамагні...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2012
Автор:	Колотілов, С.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2012
Назва видання:	Вісник НАН України
Теми:	Молоді вчені
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/36962
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Наномагнетики з пористою структурою та їх сорбційні властивості / С.В. Колотілов // Вісн. НАН України. — 2012. — № 6. — С. 52-56. — Бібліогр.: 10 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-36962
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-369622025-02-23T18:08:35Z Наномагнетики з пористою структурою та їх сорбційні властивості Колотілов, С.В. Молоді вчені Наукове повідомлення молодого вченого на засіданні Президії НАН України 15 лютого 2012 року. У повідомленні наведено результати досліджень нових наномагнетиків з пористою структурою. Встановлено фактори, що впливають на магнітні властивості таких систем, досліджено вплив адсорбції/десорбції діамагнітних субстратів на магнітні властивості пористих координаційних полімерів, а також розроблено нові підходи до створення сполук і композитів, що поєднують феро- або ферімагнітні властивості зі здатністю сорбувати задані субстрати. Окреслено можливі сфери застосування таких наномагнетиків, зокрема проведення біохімічних або медичних аналізів. 2012 Article Наномагнетики з пористою структурою та їх сорбційні властивості / С.В. Колотілов // Вісн. НАН України. — 2012. — № 6. — С. 52-56. — Бібліогр.: 10 назв. — укр. 0372-6436 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/36962 uk Вісник НАН України application/pdf Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Молоді вчені Молоді вчені
spellingShingle	Молоді вчені Молоді вчені Колотілов, С.В. Наномагнетики з пористою структурою та їх сорбційні властивості Вісник НАН України
description	Наукове повідомлення молодого вченого на засіданні Президії НАН України 15 лютого 2012 року. У повідомленні наведено результати досліджень нових наномагнетиків з пористою структурою. Встановлено фактори, що впливають на магнітні властивості таких систем, досліджено вплив адсорбції/десорбції діамагнітних субстратів на магнітні властивості пористих координаційних полімерів, а також розроблено нові підходи до створення сполук і композитів, що поєднують феро- або ферімагнітні властивості зі здатністю сорбувати задані субстрати. Окреслено можливі сфери застосування таких наномагнетиків, зокрема проведення біохімічних або медичних аналізів.
format	Article
author	Колотілов, С.В.
author_facet	Колотілов, С.В.
author_sort	Колотілов, С.В.
title	Наномагнетики з пористою структурою та їх сорбційні властивості
title_short	Наномагнетики з пористою структурою та їх сорбційні властивості
title_full	Наномагнетики з пористою структурою та їх сорбційні властивості
title_fullStr	Наномагнетики з пористою структурою та їх сорбційні властивості
title_full_unstemmed	Наномагнетики з пористою структурою та їх сорбційні властивості
title_sort	наномагнетики з пористою структурою та їх сорбційні властивості
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2012
topic_facet	Молоді вчені
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/36962
citation_txt	Наномагнетики з пористою структурою та їх сорбційні властивості / С.В. Колотілов // Вісн. НАН України. — 2012. — № 6. — С. 52-56. — Бібліогр.: 10 назв. — укр.
series	Вісник НАН України
work_keys_str_mv	AT kolotílovsv nanomagnetikizporistoûstrukturoûtaíhsorbcíjnívlastivostí
first_indexed	2025-11-24T07:30:11Z
last_indexed	2025-11-24T07:30:11Z
_version_	1849655989941305344
fulltext	52 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2012, № 6 МОЛОДІ ВЧЕНІ © С.В. Колотілов, 2012 У повідомленні наведено результати досліджень нових наномагнетиків з пористою структурою. Встановлено фактори, що впливають на магнітні властивості таких систем, досліджено вплив адсорбції/десорбції діамагніт- них субстратів на магнітні властивості пористих координаційних полімерів, а також розроблено нові підходи до створення сполук і композитів, що поєднують феро- або ферімагнітні властивості зі здатністю сорбувати за- дані субстрати. Окреслено можливі сфери застосування таких наномагнетиків, зокрема проведення біохімічних або медичних аналізів. C.В. КОЛОТІЛОВ НАНОМАГНЕТИКИ З ПОРИСТОЮ СТРУКТУРОЮ ТА ЇХ СОРБЦІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ Наукове повідомлення молодого вченого на засіданні Президії НАН України 15 лютого 2012 року Інтерес до наномагнетиків з пористою структурою зумовлений унікальним поєд- нанням фізичних властивостей, що прита- манне сполукам і композитам цього класу, а також матеріалам на їх основі. Поряд зі здат- ністю сорбувати певні субстрати такі речови- ни і композити мають перспективні для прак- тичного застосування магнітні властивості. Завдяки цьому наномагнетики з пористою структурою розглядають як основу для ство- рення нових магнітних матеріалів, власти- вості яких змінюються в разі заповнення пор субстратами, а також як сорбенти, що можуть вилучатися із середовищ під дією магнітного поля. Матеріали на основі пористих нано- магнетиків можуть знайти застосування при створенні активних елементів магнітних сен- сорів, а використання магнітних сорбентів дасть змогу істотно спростити ряд процедур виділення заданих речовин з рідин, що важ- ливо, зокрема, в медичній діагностиці. В останні роки до наномагнетиків відно- сять об’єкти різних класів: такі як поліядер- ні комплекси (частинки, що містять кілька іонів металів, зв’язаних іншими атомами, іонами або відносно короткими містковими групами), координаційні полімери (сполуки полімерної будови, утворені за участю ко- ординаційних зв’язків — зв’язків іонів мета- лу з іншими атомами), а також нанорозмірні частинки оксидів перехідних металів або са- мих металів [1]. Поліядерні комплекси вва- жають наномагнетиками завдяки розміру молекули, що перебуває в нанодіапазоні, а координаційні полімери містять нанорозмір- ні «структурні блоки», а в деяких випадках нанорозмірні пори. Оскільки магнітні влас- тивості поліядерних комплексів і координа- ційних полімерів визначаються характерис- тиками окремих молекул чи металовмісних структурних блоків у складі полімеру, такі сполуки часто називають «молекулярними магнетиками» [1, 2]. Роботи з дослідження молекулярних магнетиків проводяться в Ін- ституті фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевсько- го з середини 90-х років [2]. Магнітні властивості поліядерних комп- лексів і наночастинок визначаються так зва- ними обмінними (або магнітними) взаємоді- ями спінів неспарених електронів, що знахо- дяться на орбіталях іонів металів. Енергія таких взаємодій пропорційна параметру J, який можна вважати однією з основних ха- 53ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2012, № 6 МОЛОДІ ВЧЕНІ рактеристик магнітно-зв’язаних систем. Об- мінні взаємодії можуть зумовлювати пара- лельну чи антипаралельну орієнтацію «су- сідніх» спінів. Такі випадки мають назву феромагнітних або антиферомагнітних вза- ємодій і характеризуються додатними або від’ємними значеннями J відповідно. Незважаючи на порівняно значну кіль- кість робіт, присвячених розробленню шля- хів синтезу пористих координаційних полі- мерів і магнітних наночастинок, актуальним завданням є встановлення факторів, що впливають на магнітні властивості таких систем, дослідження впливу адсорбції/де- сорбції діамагнітних субстратів на магнітні властивості координаційних полімерів, а та- кож пошук підходів до створення сполук і композитів, що поєднують феро- або фері- магнітні властивості зі здатністю сорбувати задані субстрати. Нагадаємо, що діамагнети- ками називають речовини, які майже не вза- ємодіють з магнітним полем (строго кажучи, дуже слабко виштовхуються з магнітного поля); феро- або ферімагнетики, навпаки, втягуються в магнітне поле, причому досить сильно. Можна запропонувати два основних під- ходи до створення наномагнетиків з порис- тою структурою. Перший підхід полягає у «складанні» пористої кристалічної ґратки з окремих поліядерних молекул (або іонів). У цьому разі магнітні властивості утвореної по- ристої речовини визначаються переважно властивостями окремих блоків, а характерис- тики пористої структури (площа поверхні, об’єм пор) залежать від способу «складання» таких «молекулярних цеглинок». Другий підхід ґрунтується на створенні композитів уведенням магнітних наночастинок у порис- ту матрицю певної структури або формуван- ням магнітних наночастинок у порах готового сорбенту. Магнітні властивості такої системи визначатимуться властивостями наночасти- нок, а сорбційні характеристики — будовою пористої матриці (з урахуванням того, що частина пор може бути зайнята магнітними наночастинками). Відповідно, властивості й галузі застосування речовин і композитів, отриманих за цими двома підходами, дещо відрізнятимуться. Магнітні властивості ко- ординаційних полімерів чутливіші до запо- внення пор різними субстратами, однак для руху таких речовин у середовищі потрібно створити зовнішнє магнітне поле дуже висо- кої напруженості. Навпаки, композити маг- нітних наночастинок у пористих матрицях легко рухаються під дією «звичайного» по- стійного магніту, проте навряд чи можна очі- кувати, що магнітні властивості таких систем помітно змінюватимуться при заповненні пор іншими речовинами. Прикладом пористого координаційного полімеру, магнітні властивості якого змі- нюються залежно від наявності діамагніт- них молекул у порах, може бути сполука [{Fe 3O(HCO 2)6}{Mn(HCO 2)3(H 2O) 3}] n· ·3,5nHCO2H. Цей комплекс утворено за до- помогою зв’язування триядерних катіонів {Fe3O(HCO2)6} + аніонами {Mn(HCO2)3(H2O)3} – у двовимірні шари, в яких формуються гекса- гональні пори, що нагадують бджолині стіль- ники (рис. 1). Ці пори, а також простір між шарами заповнено молекулами мурашиної кислоти HCO2H (що входить до складу реак- ційної суміші, в якій утворюється цей коор- динаційний полімер). Виявилося, що вида- лення мурашиної кислоти з пор і заміна її мо- лекулами води приводить до істотної зміни магнітної сприйнятливості координаційного полімеру, а параметр J, що характеризує об- мінні взаємодії триядерних блоків між собою та з аніонами {Mn(HCO2)3(H2O)3} –, зміню- ється в дев’ять разів [3]. Цей ефект виявля- ється за температур, нижчих від –200°С, од- нак нещодавно було показано, що заповнення пор діамагнітними молекулами може спричи- няти двократну зміну магнітної сприйнятли- вості пористого координаційного полімеру навіть за кімнатної температури [4]. Встанов- лення того факту, що діамагнітні молекули можуть впливати на магнітні властивості ко- ординаційних полімерів, є важливим резуль- татом фундаментальних досліджень. Важливою проблемою є визначення при- чин, що приводять до зміни магнітних власти- востей сорбенту при заповненні або звільненні 54 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2012, № 6 МОЛОДІ ВЧЕНІ його пор. Оскільки магнітні властивості та- ких систем визначаються взаємодією неспа- рених електронів, зрозуміло, що будь-який чинник, який змінює стан (енергію) елек- тронів на орбіталях іонів металів або впли- ває на «шлях взаємодії» електронів (так зва- ний «обмінний канал»), спричинятиме зміну магнітної сприйнятливості пористої матри- ці. Стан електронів на орбіталях і «шлях» їх взаємодії, у свою чергу, визначаються струк- турою речовини (довжинами зв’язків між окремими атомами, кутами між такими зв’язками тощо), а також так званою елек- тронною будовою сполуки — передусім ча- сом, упродовж якого електрони перебувають на тих чи інших атомних і молекулярних ор- біталях, і ступенем делокалізації електро- нної густини. Отже, завдання зводиться до відповіді на запитання: «Як саме заповнення або звільнення пор сорбенту впливає на його просторову і електронну будову?» Інформацію про електронну будову мета- ловмісних сполук можна отримати за допо- могою спектральних методів. Зокрема, було показано, що найбільшого впливу діамаг- нітних субстратів на магнітні властивості пористого координаційного полімеру можна досягти в разі, якщо такий субстрат зв’я- зується безпосередньо з іоном металу [4]. Ра- зом з тим визначити просторову будову ре- човини на різних стадіях заповнення пор не- просто. Більшість методів, які можна було б для цього застосувати (наприклад, метод рентгеноструктурного аналізу), придатні для визначення будови зразків, кристалічна ґрат- ка яких ідеально впорядкована. Такі моно- кристалічні зразки можна одержати, але будь-яка зміна їхнього складу (в тому числі видалення будь-яких молекул з пор або замі- на таких молекул на інші) призводить до по- рушення ідеального впорядкування, що уне- можливлює застосування методів структур- них досліджень. У такому разі деякі відомості Рис. 1. Фрагмент кристалічної ґратки [{Fe3O(HCO2)6}{Mn(HCO2)3(H2O)3}]n. Темним кольо- ром позначено триядерні катіони {Fe3O(HCO2)6} +, світлим — аніони {Mn(HCO2)3(H2O)3} –. Порожнини за- пов нено молекулами мурашиної кислоти; ці молекули, а також усі атоми водню на рисунку не показано Рис. 2. Зміна форми каналів у пористому координаційному полімері [Fe2NiO((CH3)3CCO2)6(bipy)1,5]n (bipy = 4,4’-біпіридин) залежно від температури та наявності субстратів у порах 55ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2012, № 6 МОЛОДІ ВЧЕНІ про структуру сорбенту на різних стадіях за- повнення пор можна отримати непрямими методами. Було встановлено, що в деяких ви- падках зміна температури спричинює зміну форми й об’єму пор (каналів) у координацій- ному полімері, які збігаються зі структурни- ми змінами під час заповнення цих каналів молекулами субстратів (рис. 2) [5]. Таким чином, щоб зрозуміти, що відбува- ється при заповненні або вивільненні пор, часто достатньо встановити будову зразка за іншої температури (що з погляду експери- ментальних досліджень дуже просто). Ще один підхід до вирішення цієї проблеми може базуватися на дослідженні структури зразків, спеціально виділених із різних розчинників, що різняться співвідношенням кількості ко- ординаційної сполуки-«хазяїна» до роз чин- ни ка-«гостя». Логічно припустити, що будова таких сполук певною мірою моделює будову зразків на різних стадіях адсорбції субстратів [6]. Порівняння будови низки «модельних сполук» з різним вмістом захоплених моле- кул розчинника, які спеціально синтезовано в умовах, що дають змогу виділити моно- кристалічні зразки для рентгеноструктурно- го аналізу, також дозволяє дійти висновків про можливі зміни структури сорбенту при його десольватації або ресольватації. Як приклад наномагнетика з пористою структурою на основі оксидних наночасти- нок можна навести композит, одержаний «вирощуванням» нанопористого матеріалу структурного типу МСМ-41 за наявності маг нітних наночастинок Fe3O4. За хімічним складом МСМ-41 є пористою модифікацією SiO2, а пори утворюються завдяки особли- востям процесу осадження цієї речовини з розчину (діаметр пор-каналів становить близько 3 нм). Наночастинки Fe3O4 мають розмір ∼15 нм — вони не можуть розмістити- ся в каналах пористої матриці, а просто «за- хоплюються» нею в процесі росту [7, 8]. Вибір саме таких наночастинок зумовлений їх низькою вартістю і простотою отриман- ня, що важливо для широкого використан- ня магнітного сорбенту. Хоча магнітні нано- час тин ки можуть блокувати деякі канали МСМ-41, значення площі поверхні й об’єму пор утвореного магнітного сорбенту є на рів- ні аналогів, що нині використовуються, а магнітні характеристики достатні для того, щоб сорбент можна було виділяти з розчи- нів під дією звичайного постійного магніту. Одержані сорбенти здатні зв’язувати багато різних субстратів, а за допомогою модифі- кації поверхні (створення селективних по- криттів) можна досягти вилучення заданих молекул із сумішей. Переваги сорбентів такого типу перед зви- чайними «немагнітними» матеріалами поля- гають у можливості швидкого їх вилучення з рідин, у тому числі з гетерогенних середовищ. Це може стати особливо корисним під час проведення біохімічних або медичних дослі- джень, наприклад, аналізу крові на предмет наявності певних протеїнів, вірусів чи клітин, у тому числі ракових. Ілюстра цією таких мож- ливостей може бути вилучення імуноглобулі- нів з крові за допомогою магнітного сорбенту на основі наночастинок Fe3O4, на яких іммобі- лізовано протеїн А (цей протеїн специфічно зв’язує імуноглобуліни). Сорбент, на поверхні якого сконцентровано імуноглобуліни, можна виділити з препарату, просто «витягнувши» його постійним магнітом; при цьому інші сус- пендовані частинки (такі, як клітини крові) залишаються в рідині, а попереднє фільтру- вання препарату не є необхідним. Після цього сорбент переносять у буферний розчин з пев- ним значенням рН, де зв’язок протеїну А з імуноглобулінами розривається — імуногло- буліни залишаються в розчині, а сорбент, як і в попередньому випадку, можна просто «ви- тягти» магнітом [9, 10]. Подальші роботи в галузі наномагнетиків з пористою структурою можуть бути спря- мовані в кількох напрямах. Важливим за- вданням є підвищення селективності взає- модії з субстратами, що вкрай потрібно для створення сенсорів щодо отруйних молекул, забрудників, компонентів вибухівки тощо. Наразі показано вплив адсорбції діамагніт- них молекул на магнітні характеристики сорбентів, проте цікавою фундаментальною проблемою є встановлення того, чи впливає 56 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2012, № 6 МОЛОДІ ВЧЕНІ магнітне поле на сорбційні характеристики пористих сполук. Нарешті, необхідною умо- вою використання створених композитів у цілях медичної діагностики, транспортуван- ня лікарських препаратів тощо виступає проведення їх практичних випробувань. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 1. Gatteschi D., Sessoli R., Villain J. Molecular nanomag- nets. — New York: Oxford University Press, 2006. — 399 p. 2. Павлищук B.B. Молекулярный магнетизм поли ядер- ных комплексов 3d- переходных метал лов // Теорет. и эксперим. химия. — 1997. — Т. 33. — С. 341–361. 3. Lytvynenko A.S., Kolotilov S.V., Cador O. et al. Po- rous 2D coordination polymeric formate built up by Mn(II) linking of Fe3O units: influence of guest molecules on magnetic properties // Dalton Trans. — 2009. — V. 18. — P. 3503–3509. 4. Пат. № 65704 Україна. Активні елементи хімічних сенсорів на основі координаційного полімеру ко- баль ту(ІІ) для детектування і кількісного визначен- ня речовин, що містять донорні атоми / Ю.А. Саць- ка, Р.А. Полунін, Н.П. Бурковська та ін. — Опубл. 12.12.2011. 5. Polunin R.A., Kolotilov S.V., Kiskin M.A. et al. Struc- tural flexibility and sorption properties of 2D porous coordination polymers constructed from trinuclear heterometallic pivalates and 4,4’-bipyridine // Eur. J. Inorg. Chem. — 2011. — V. 32. – P. 4985–4992. 6. Pavlishchuk A.V., Kolotilov S.V., Zeller M. et al. Mag- netic and Sorption Properties of Supramolecular Systems Based on Pentanuclear Copper(II) 12-Met- allacrown-4 Complexes and Isomeric Phthalates: Structural Modeling of the Different Stages of Al- cohol Absorption // Eur. J. Inorg. Chem. — 2011. — V. 31. — P. 4826–4836. 7. Kolotilov S.V., Shvets O.V., Cador O. et al. Synthesis, structure and magnetic properties of porous magnetic composite, based on MCM-41 molecular sieve with Fe3O4 nanoparticles // J. Solid State Chem. — 2006. — V. 179, N 8. — P. 2426–2432. 8. Пат. № 17038 Україна. Спосіб приготування маг- нітного сорбенту на основі пористих матриць з інкорпорованими магнітними наночастинками / С.В. Колотілов, О.В. Швець, Н.В. Касьян та ін. — Опубл. 15.09.2006. 9. Пат. № 10467 Україна. Спосіб приготування маг- нітного нанорозмірного сорбенту для іму но логічних і біохімічних об’єктів / В.В. Павліщук, С.В. Колотілов, Б.А. Снопок та ін. — Опубл. 15.11.2005. 10. Колотилов С.В., Болтовец П.Н., Снопок Б.А., Павли- щук В.В. Наноразмерный магнитный композит для извлечения γ-иммуноглобулинов из биологических сред // Теор. и эксперим. химия. — 2006. — Т. 42. — С. 204–209. У 1999 р. закінчив з від- знакою хімічний факультет Київського національного уні- верситету імені Та раса Шев- ченка і вступив до аспіран- тури Інституту фізичної хімії ім. Л.В. Писаржев- ського НАН України. 2002 року захистив кандидат- ську дисертацію на тему «Синтез, структура, спектральні, магнетохімічні і редокс-властивості поліядерних комплексів нікелю(ІІ) з оксимвмісни- ми лігандами» (науковий керівник – член-ко рес- пон дент НАН України В.В. Павліщук). Є співавтором 52 наукових статей та 7 па- тентів України. Голова Ради молодих учених і спе- ціалістів Інституту фізичної хімії ім. Л.В. Писар- жевського НАН України (з 2007 р. і дотепер). Лауреат премії НАН України для молодих уче- них 2004 р. (у співавторстві з к.х.н. К.С. Гаври- ленко і к.х.н. О.І. Приходько). В 2007 р. нагоро- джений медаллю НАН України «Талант, на- тхнення, праця». Лауреат премії Верховної Ра ди України найталановитішим молодим ученим в галузі фундаментальних і прикладних дослі- джень та науково-технічних розробок за 2010 р. (разом з к.х.н. К.С. Гавриленко). Коло наукових інтересів – магнітні і сорбційні властивості пористих координаційних полімерів 3d- і 4f- металів; магнетизм поліядерних ком- плексів 3d- і 4f- металів; сорбційні і магнітні влас- тивості композитів на основі пористих кремне- земів і магнітних наночастинок, мультифункціо- нальні матеріали. Кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник лабораторії спектроскопії полімерів Інституту фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського НАН України. Сергій Володимирович КОЛОТІЛОВ

Наномагнетики з пористою структурою та їх сорбційні властивості

Репозитарії

Схожі ресурси