Введение

Наиболее остро стоящей в настоящее время проблемой в области создания новых наноструктурированных материалов является разработка методов и подходов для упорядоченного распределения наночастиц в трехмерном пространстве. Надмолекулярные структуры кремнезема, представляющие собой упорядоченные по принципу плотнейшей упаковки системы из сферических частиц, являются одними из наиболее перспективных в этом отношении. Они химически и термически устойчивы, практически не меняются со временем, но что самое важное, обладают структурно упорядоченной системой октаэдрических и тетраэдрических пустот. Размер данных пустот зависит от размера слагающих их сферических частиц и может изменяться в значительном интервале — от первых десятков до сотен нанометров [20]. Все это по сравнению с другими аналогичными методами дает значительное технологическое преимущество. В то же время методика их получения относительно проста [5] и по сравнению с другими не требует дорогостоящего оборудования. Основной не решенной в настоящее время проблемой является лишь синтез значительных по размеру упорядоченных мотивов, не имеющих дефектов упаковки надмолекулярной структуры. Таким образом, надмолекулярно упорядоченные структуры на основе монодисперсных сферических частиц кремнезема представляют собой готовую трехмерно структурированную систему наноразмерных пустот, идеально подходящую для внедрения различных материалов. В связи с этим возникает необходимость разработки методологических основ введения различных элементов и их соединений в пустоты опаловой матрицы для создания на ее основе широкого спектра новых нанокомпозитных материалов.

Действительно, структурированное по принципу плотнейшей упаковки расположение сферических частиц кремнезема (рис. 1) диаметром от первых десятков до сотен нанометров создает в пространстве трехмерную систему октаэдрических и тетраэдрических пустот. Положение этих пустот четко определено в соответствии с принципом плотнейших упаковок, а размер определяется размером слагающих надмолекулярную структуру частиц согласно следующей зависимости: 0.225r — для октаэдрических пустот и 0.414r — для тетраэдрических пустот, где r — радиус частицы. Таким образом, для надмолекулярных матриц кремнезема, сформированных частицами диаметром от 50 до 500 нм (в зависимости от условий синтеза), мы получаем упорядоченные в трехмерном пространстве системы пустот размером от 5.6 нм для частиц диаметром 50 нм и октаэдрических пустот до 104 нм для частиц диаметром 500 нм и тетраэдрических пустот. Подобный интервал относится к наноразмерным, а объекты, сформированные в таких пустотах, — к нанообъектам. Следовательно, материалы, созданные на основе введения вещества в пустоты надмолекулярных матриц, сложенных такими частицами, можно с полным правом относить к нанокомпозитам.

Из всего вышеперечисленного следует, что мы, имея возможность получать частицы заданного размера и формировать на их основе высокосовершенные (с низким содержанием дефектов плотнейшей упаковки) надмолекулярные структуры в конечном счете имеем 3D-матрицу, потенциально перспективную для создания широкого спектра новых нанокомпозитных материалов. Перечень их ограничен лишь тем, какие материалы мы сможем ввести в уже имеющуюся трехмерную систему пор и пустот. В связи с этим в настоящее время появляется все больше работ, посвященных получению и изучению подобных материалов (см., например [1, 2, 12, 15]).

Методики получения монодисперсных сферических частиц кремнезема диаметром 100–700 нм существуют достаточно давно, еще с середины 70-х годов прошлого века [18], и связаны они с попытками синтеза искусственных аналогов благородного опала. Однако для создания нанокомпозитных материалов требуются надмолекулярные структуры с гораздо более высокой степенью «структурного» совершенства и в более широком интервале размеров слагающих их сферических частиц кремнезема. В настоящее время эти проблемы до сих пор остаются открытыми как по причине отсутствия единых представлений о структуре сферической частицы и механизме ее образования, так и вследствие того, что не меньшее количество вопросов вызывают процессы образования самой надмолекулярной структуры на основе подобных частиц.

Ранее нами был проведен ряд экспериментальных работ, направленных на решение вышеобозначенных проблем, результатом которых стала идея о кластерном механизме образования аморфных наночастиц [17]. Методом динамического рассеяния света изучены особенности их зарождения и роста в реальном времени [8, 9]. На основании кинетических особенностей формирования надмолекулярной структуры рассмотрены предполагаемые механизмы и пограничные факторы, влияющие на переход отдельных частиц в надмолекулярную структуру [6, 19]. Полученная совокупность результатов позволила нам создать методологические основы для синтеза надмолекулярных структур на основе монодисперсных сферических частиц кремнезема, пригодных для создания на их основе новых нанокомпозитных материалов.

Еще одним не менее важным с точки зрения разработки технологии получения новых нанокомпозитных материалов является вопрос о внутренней структуре самой частицы кремнезема. Существуют различные предположения [7, 16], неопределенность которых связана в первую очередь с ограниченной способностью прямого наблюдения. Предлагаемые к использованию для этих целей различные варианты травления, по нашему мнению, нарушают исходное состояние частиц и не могут в полной мере свидетельствовать об особенностях их внутреннего строения. Тем не менее почти все они сходятся в том, что у самой частицы кремнезема имеется определенная система открытых или закрытых пор (пустот) [10, 11, 13], и это, безусловно, необходимо учитывать при разработке новых методов получения нанокомпозитных материалов на основе надмолекулярных матриц кремнезема.

В данной работе представлены результаты экспериментов по пропитке полученных нами надмолекулярно упорядоченных структур на основе монодисперсных сферических частиц кремнезема диаметром 300 нм (опаловых матриц) соединениями металлов I группы периодической системы (Ag, Au) с последующим их восстановлением различными реагентами (гидразингидрат, натрий лимоннокислый, натрий муравьинокислый, винная кислота) и анализом полученных результатов с целью выработки основных условий, влияющих на форму вхождения металлов в структуру опаловой матрицы для создания новых нанокомпозитных материалов на данной основе.

Классификация реактивов

Несмотря на заявленную относительную простоту методики получения нанокомпозитных материалов на основе заполнения пустот плотнейших упаковок из сферических частиц, в отношении синтеза самих монодисперсных частиц кремнезема в настоящее время существует достаточно большое количество сложностей. Связано это в первую очередь с тем, что состояние используемых реактивов значительно влияет как на размеры формирующихся частиц, так и на воспроизводимость результатов синтеза [4], в некоторых случаях не приводя к образованию монодисперсных частиц. Это особенно характерно для используемой нами методики гидролиза тетраэтоксисилана, процессы «подготовки» которого обсуждаются уже достаточно давно [14]. В связи с этим классификации химических соединений, использованных для синтеза надмолекулярных структур кремнезема и для проведения экспериментов по созданию нанокомпозитных материалов на их основе, было уделено особое внимание. Ниже приведены характеристики всех основных использованных реагентов.

- AgNO₃, нитрат серебра, водный раствор, с содержанием по металлу 10 мас. %, «х.ч.», (ГОСТ 1277-75).

- HAuCl₄, золотохлористоводородная кислота, водный раствор, с содержанием по металлу 10 мас. %.

- NH₂NH_2*H₂O, гидразингидрат, 5% водный раствор, имп.

- Na₃C₆H₅O_7*5.5H₂O, натрий лимоннокислый, 1 % водный раствор, «ч.» (ГОСТ 22280-76).

- С₄H₆O₆, винная кислота, 1% водный раствор, «ч.д.а.», (ГОСТ 5817-77).

- HCOONa, натрий муравьинокислый, 1 % водный раствор, «ч. д. а.», (ТУ 6-09-1466-86).

- NH₄OH, водный раствор аммиака, «ос. ч.», 23-5, (ГОСТ 24147-80).

- C₂H₅OH, этанол «экстра», (ГОСТ 18300-87).

- Si(OC₂H₅O)₄, тетраэтоксисилан, «ч. д. а.», ООО «Кремнийтехпром», г. Москва, (ТУ 6-09-11-2153-94).

Подготовка надмолекулярных структур
и выбор восстановителя

Для проведения экспериментов по синтезу нанокомпозитных материалов были использованы предварительно полученные нами надмолекулярно упорядоченные структуры на основе монодисперсных сферических частиц диаметром 300 нм. Синтез частиц кремнезема проводили по методике Штобера – Финка [21], модифицированной нами [5]. Формирование надмолекулярных структур на основе частиц кремнезёма проводили с учетом особенностей механизма их образования, определенного нами ранее [6, 19] исключительно в процессе седиментационного осаждения, без применения центрифугирования, что позволило нам получить значительные по размерам опаловые матрицы достаточно высокого уровня «структурного» совершенства. После чего часть полученных надмолекулярных структур была высушена при температуре 20 °С, а часть подвергнута температурной обработке при 800 °С в течение 1 часа. Таким образом были сформированы два типа исходных материалов для их последующей пропитки и восстановления с целью получения нанокомпозитных материалов типа металл-опаловой матрицы.

При выборе типа вводимого в надмолекулярную структуру металла мы руководствовались следующими соображениями. С одной стороны, используемые элементы и их соединения должны обладать высокой электронной плотностью, что важно для последующих исследований полученных структур методами электронной микроскопии. С другой — они должны быть достаточно химически инертны, чтобы исключить их взаимодействие с опаловой матрицей и предотвратить их изменения в процессе взаимодействия со средой (окисление, образование сульфидов, карбонатов и т. д.). Элементы первой группы Au и Ag в достаточной степени удовлетворяют этим условиям, более того, являются различными по значениям pH используемых растворов их соединений. Это важно, так как монодисперсные частицы кремнезема синтезированы в спиртоаммиачных растворах и являются устойчивыми при pH=10 и выше. Следовательно, применение водных растворов соединений серебра не привносит значительного влияния на кислотность среды, в то время как водные растворы золотохлористоводородной кислоты являются «кислыми», тем самым влияя на частицы кремнезема (их агрегативную устойчивость) и, как следствие, на саму надмолекулярную матрицу в процессе пропитки. Таким образом, в силу вышеперечисленных соображений для получения нанокомпозитных материалов на основе опаловых матриц нами были использованы водные растворы золотохлористоводородной кислоты и нитрата серебра с содержанием по металлу 10 мас. %. Классификация данных растворов представлена выше.

Выбор восстановителей-металлов использованных нами соединений был обусловлен двумя факторами. С одной стороны, они должны обладать различной восстанавливающей способностью, от которой зависит скорость протекания процесса восстановления, с другой иметь различные значения кислотности (pH) для исследования особенностей прохождения процесса восстановления в различных средах. С этой целью нами для восстановления Au и Ag из соединений были выбраны следующие широко используемые соединения: винная кислота (pH<1), натрий муравьинокислый и натрий лимоннокислый (pH≈7), а также гидразингидрат (pH>12), удовлетворяющие всем вышеперечисленным условиям. Классификация и концентрация использованных растворов представлены выше.

Все использованные в экспериментах водные растворы были приготовлены с применением деионизированной воды, имеющей удельную электропроводность менее 0.08 мкСм, после чего отфильтрованы через фторопластовые мембраны с диаметром пор 0.2 мкм.

Пропитка надмолекулярных структур
кремнезема

После проведения всех подготовительных процедур по синтезу надмолекулярных структур, их предварительной температурной обработки, выбора внедряемого в опаловую матрицу металла и формы его нахождения в растворе, а также определения типа используемых восстановителей нами была проведена пропитка образцов. Для этого образцы опаловых матриц массой от 0.1 до 0.3 г были залиты растворами золотохлористоводородной кислоты и азотнокислого серебра с концентрацией 10 мас. % (по металлу) со временем выдержки около 72 часов, для более полного заполнения пустот упаковки и порового пространства, после чего растворы были слиты, а образцы высушены при температуре 20 °С.

Затем данные образцы были подвергнуты процедуре восстановления. Для этого надмолекулярные структуры помещали в раствор восстановителя (гидразингидрат, 5 % водный раствор; натрий лимоннокислый, 1% раствор и натрий муравьинокислый, 1 % раствор, винная кислота, 1 % раствор) на время не менее 96 часов при температуре 20 °С. После чего растворы были слиты, а полученные образцы нанокомпозитных материалов высушены при комнатной температуре в течение 3 суток. Часть полученных таким образом образцов была оставлена без изменений, а часть подвергнута температурной обработке при 800 °С в течение часа. Выбор значения температуры 800 °С обусловлен тем, что при данной температуре гарантированно происходит полное разложение использованных соединений золота и серебра с выделением металла, что должно позволить нам оценить форму его вхождения там, где процесс восстановления по какой-то причине не произошел или произошел не до конца.

Для того чтобы оценить сравнительное действие использованных восстановителей, независимая часть пропитанных золотохлористоводородной кислотой и азотнокислым серебром надмолекулярных матриц кремнезема не подвергалась воздействию восстанавливающих агентов и была оставлена без изменений, но часть из них также прошла температурную обработку при температуре 800 °С. Обобщенная схема проведения эксперимента представлена на рис. 2.

В заключение все образцы полученных нанокомпозитных (металл-опаловая матрица) материалов были исследованы с помощью электронной сканирующей микроскопии (Tescan, Vega-3).

Электронно-микроскопические
исследования полученных материалов

Золотохлористоводородная кислота

Согласно вышеприведенной схеме (рис. 2) предварительно полученные образцы опаловых матриц на основе монодисперсных сферических частиц кремнезема диаметром 300 нм, как прошедшие температурную обработку при 800 °С, так и без нее, были пропитаны водным раствором золотохлористоводородной кислоты с концентрацией по металлу 10 мас. %. и выдержкой не менее 72 часов. После этого обработаны следующими восстановителями: гидразингидратом, (5 % водный раствор); натрием лимоннокислым (1 % раствор); натрием муравьинокислым (1 % раствор) и винной кислотой (1 % раствор). При этом независимая часть образцов надмолекулярных структур для сравнения не подвергалась воздействию каких-либо восстанавливающих агентов. В дальнейшем все они были высушены при комнатной температуре, а часть из них подвергнута температурной обработке при 800 °С.

Анализ полученных структур проводился методом электронной сканирующей микроскопии, по результатам которой можно отметить следующее. Применение в качестве восстановителей лимоннокислого и муравьинокислого натрия не приводит к каким-либо значительным изменениям морфологии надмолекулярной структуры, видимые концентрации металла отсутствуют, в том числе и в режиме обратноотраженных электронов. Тем не менее спектральный анализ регистрирует общее содержание золота на уровне от 2 до 3 мас. %. (рис. 3, b, d). В случае образцов, восстановленных винной кислотой (рис. 3, c), на поверхности матриц формируются ее кристаллы, при этом какие-либо отдельные проявления золота отсутствуют. Однако, по данным спектрального анализа, золото в образцах также присутствует в количестве от 2 до 3 мас. %, но, вероятнее всего, в рассеянном состоянии. Ситуация значительно меняется при использовании в качестве восстановителя водного раствора гидразингидрата. В этом случае мы наблюдаем отдельные частицы золота размером ~10÷50 нм, случайно распределенные в опаловой матрице (рис. 3, a). Кроме того, согласно данным спектрального анализа, некоторое количество золота (2–3 мас. %) равномерно распределено в самой матрице. Состояние, форма и размеры этого золота, как и в случае использования восстановителей, приведенных выше, остаются невыявленными. Однако с учетом существующих пред­поло­же­ний о строении самой частицы кремнезёма можно предпо­ложить, что данное золото связано с ее внутренней структурой.

Температурная обработка при 800 °С подвергнутых восстановлению образцов значительно меняет форму нахождения золота в опаловой матрице. В случае гидразингидрата и муравьинокислого натрия каких-либо значительных изменений выявлено не было (рис. 4, a, d), в то время как в случае лимоннокислого натрия и винной кислоты рассеянное в надмолекулярной структуре золото претерпевает значительные изменения, результатом которых являются случайно распределенные в опаловой матрице глобулы золота размером ~20÷500 нм с формой, близкой к сферической (рис. 4, b, c). При этом в самой опаловой матрице какие-либо значимые количества распределенного в них металла не фиксируются.

Как уже упоминалось выше, часть пропитанных золотохлористоводородной кислотой образцов опаловых матриц для сравнения не подвергалась воздействию каких-либо восстановителей. Однако поученные в данном случае результаты вызывают наибольший интерес. В случае пропитки образцов золотохлористоводородной кислотой с последующей их сушкой при комнатной температуре мы получаем композитную надмолекулярную структуру, где практически каждая из сферических частиц кремнезема покрыта наночастицами золота размером менее 10 нм (рис. 5, a). При этом увеличение или уменьшение времени выдержки опаловых матриц в золотохлористоводородной кислоте приводит к соответствующему изменению размеров наночастиц золота на поверхности сфер кремнезема. По нашему мнению, такое восстановление золота из золотохлористоводородной кислоты на поверхности сфер кремнезема связано с наличием на их поверхности аминогрупп, которые служат своего рода центрами восстановления. Данное предположение подтверждается тем фактом, что подобный эффект для образцов опаловых матриц, подвергнутых перед пропиткой предварительной температурной обработке (для удаления аминогрупп), проявляется крайне слабо либо не проявляется совсем.

Ситуация значительно меняется при последующей температурной обработке полученных материалов при температуре 800 °С. В этом случае наночастиц золота на поверхности глобул кремнезема уже нет, а все золото сосредоточено в виде отдельных выделений размером ~50÷500 нм, случайно распределенных в опаловой матрице (рис. 5, б).

Таким образом, в результате проведенных экспериментов были выявлены два типа условий, при которых происходит формирование материалов с закономерным распределением металла в надмолекулярной структуре. Во-первых, при пропитке опаловых матриц золотохлористоводородной кислотой без использования какого-либо восстановителя и прошедших лишь предварительную сушку при температуре 20 °С, золото восстанавливается в виде отдельных наночастиц диаметром менее 10 нм на поверхности сфер кремнезема, упакованных в надмолекулярную структуру. Во-вторых, использование в качестве восстановителей натрия муравьинокислого или натрия лимоннокислого приводит к равномерному распределению золота в опаловой матрице с содержанием 2–3 мас. %. Однако форма его вхождения остается невыявленной.

В обоих случаях можно с уверенностью говорить о формировании нанокомпозитных материалов типа «золото–опаловая матрица». Стоит отметить, что последующая температурная обработка при 800 °С приводит к нарушению сформированной структуры распределения золота в надмолекулярной матрице и не может применяться к данным структурам.

Нитрат серебра

В соответствии с разработанной схемой (рис. 2) эксперименты по созданию нанокомпозитных материалов на основе опаловых матриц и серебра были проведены следующим образом. Часть предварительно полученных надмолекулярных структур из монодисперсных сферических частиц кремнезема диаметром 300 нм была высушена при комнатной температуре, а часть подвергнута температурной обработке при температуре 800 °С в течение часа. Подготовленные подобным образом надмолекулярные структуры были пропитаны водным раствором азотнокислого серебра с концентрацией по металлу 10 мас. % и выдержкой не менее 72 часов. После этого все они были подвергнуты восстановлению следующими растворами: гидразингидратом (5 % водный раствор); натрием лимоннокислым (1 % раствор); натрием муравьинокислым (1 % раствор) и винной кислотой (1 % раствор). При этом для сравнения часть пропитанных структур не подвергалась воздействию какого-либо восстановителя. В заключение одна половина образцов была высушена при температуре 20 °С, а вторая дополнительно прокалена при 800 °С. После чего все полученные структуры были исследованы с помощью электронной сканирующей микроскопии.

По результатам проведенных исследований можно отметить следующее. Использование в качестве восстановителей лимоннокислого натрия и муравьинокислого натрия для образцов, не прошедших процедуру температурной обработки, не привносит каких-либо значительных изменений в надмолекулярную структуру (рис. 6, b, d). Содержание серебра в опаловой матрице, по данным спектрального анализа, незначительно выше погрешности, какие-либо отдельные выделения частиц серебра отсутствуют. Ситуация незначительно меняется для образцов, прошедших предварительную термическую обработку при 800 °С (рис. 7, b, d) и с лимоннокислым натрием в качестве восстановителя. В этом случае имеются незначительные образования металлического серебра размером ~50–100 нм, хаотично расположенные в опаловой матрице (рис. 7, b).

Более значительные изменения происходят в случае использования в качестве восстановителей винной кислоты и гидразингидрата. Для винной кислоты в образцах без температурной обработки происходит массовое равномерное выделение частиц серебра в опаловой матрице (рис. 6, c) размером порядка 10–20 нм, в то время как в образцах, подвергнутых процедуре прокалки, размеры выделений значительно больше — 20–50 нм. Кроме того, они формируют более редкие группы конгломератов частиц (рис. 7, c). По нашему мнению, данное различие связано с наличием аминогрупп на поверхности частиц кремнезема, не прошедших высокотемпературную обработку, которые и приводят к массовому восстановлению частиц серебра. Поскольку после термической обработки аминогруппы на поверхности частиц либо отсутствуют, либо присутствуют в незначительном количестве, то в этом случае мы имеем более редкие области восстановления серебра, которое, в свою очередь, образует более крупные выделения.

Схожая ситуация реализуется в случае, когда мы не применяли какой-либо восстановитель. При наличии аминогрупп на поверхности частиц происходит восстановление серебра, которое в результате приводит к образованию металлических корок (рис. 6, a) с рыхлой разупорядоченной структурой, в то время как в случае опаловых матриц после температурной обработки восстановленный металл равномерно расположен как на поверхности частиц, так и в октаэдрических и тетраэдрических пустотах их упаковки (рис. 7, a). Наблюдаемое на электронно-микроскопических снимках избыточное (по сравнению с результатами, полученными с применением восстановителей) содержание серебра связано с тем, что в случае отсутствия восстанавливающего агента опаловые матрицы находились в растворе азотнокислого серебра значительно большее время (не 72 часа, как все остальные, а 98 часов сверх того, пока остальные образцы подвергались воздействию восстановителей). По нашему мнению, снижение или увеличение этого времени позволит получать надмолекулярные структуры с необходимым содержанием серебра в опаловой матрице.

Отдельно стоит выделить результаты, полученные при восстановлении серебра с помощью 5 % водного раствора гидразингидрата. В этом случае для опаловых матриц, не прошедших предварительную температурную обработку, мы видим формирование отдельных наночастиц металла на поверхности сфер кремнезема. Размер сформированных частиц находится в пределах ~10–20 нм, при этом их расположение приурочено в основном к местам контакта глобул кремнезема друг с другом, формируя таким образом некоторое подобие структурного упорядочения их расположения в пространстве (рис. 8, a). Для надмолекулярных структур кремнезема, прошедших предвари­тельную температурную обработку при 800 °С, ситуация схожая, наночастицы серебра также покрывают глобулы кремнезема, однако в этом случае их распределение менее структурировано (рис. 8, b).

После температурной обработки полученных нанокомпозитных структур ситуация меняется по-разному. В случае использования таких восстановителей, как натрий лимоннокислый и винная кислота, а также в случае отсутствия восстановителя какие-либо значимые изменения отсутствуют. Наоборот, в случае использования цитрата натрия происходит «плавление» металлического серебра с образованием частиц металла с формой, близкой к сферической, и размерами от 10–60 нм. При этом сами сферические частицы кремнезема, слагающие опаловую матрицу, несут на себе следы «растворения» (рис. 9, a). Схожая картина наблюдается и при использовании в качестве восстановителя гидразингидрата. Частицы кремнезема выглядят «оплывшими», пространство между ними увеличено, форма отклоняется от сферической. При этом какие-либо проявления отдельных частиц металла отсутствуют. В то же время энергодисперсионный спектральный анализ показывает содержание серебра 4–7 мас. %, которое равномерно распределено по всей надмолекулярной структуре (рис. 9, b).

Таким образом, в результате проведенных экспериментов были выявлены следующие виды условий, при которых происходит формирование материалов с закономерным распределением металла в надмолекулярной структуре. Во-первых, при пропитке опаловых матриц азотнокислым серебром без использования какого-либо восстановителя серебро восстанавливается в виде корок на поверхности сфер кремнезема, если они не были прокалены, либо заполняет пространство целиком в случае их предварительной температурной обработки при 800 °С. Причем количество выделившегося серебра зависит от времени выдержки опаловой структуры в растворе его соли. Во-вторых, использование в качестве восстановителя 5 % водного раствора гидразингидрата приводит к формированию на поверхности глобул кремнезема частиц серебра диаметром 10–20 нм, причем их расположение в основном приурочено к зонам контакта упакованных в матрицу частиц в случае образцов без предварительной температурной обработки или хаотично расположенных на поверхности частиц в случае предварительного прогрева образцов при температуре 800 °С. Использование в качестве восстановителя цитрата натрия с последующей температурной обработкой при 800 °С приводит к образованию опаловых матриц, морфология частиц которых значительно изменена, однако в них равномерно распределено серебро, массовая доля которого находится в пределах 4–7 %. В то же время форма нахождения этого серебра в опаловой матрице остается невыявленной. Однако, как и в относительно подобной ситуации по золоту, можно предположить, что нахождение такого серебра связано с внутренней структурой сферических частиц.

Во всех случаях можно с уверенностью говорить о формировании нанокомпозитных материалов типа «серебро – опаловая матрица».

Заключение

Подводя итоги, можно отметить следующее. На основе надмолекулярных матриц, состоящих из плотно упакованных сферических частиц кремнезема диаметром 300 нм и соединений металлов I группы периодической системы Au и Ag, проведены эксперименты по синтезу нанокомпозитных материалов на их основе.

Выявлены условия: наличие или отсутствие предварительной температурной обработки матриц перед их пропиткой азотнокислым серебром или золотохлороводородной кислотой и, как следствие, влияние присутствия аминогрупп на поверхности частиц на последующее восстановление металлов. Исследовано влияние типа используемого восстановителя: гидразингидрата, винной кислоты, цитрата натрия, вин­нокислого натрия — или его отсутствия, а также значение времени воздействия используемых соединений Ag и Au на размеры и форму вхождения металлов в структуру опаловых матриц. Показано, что температурная обработка материалов на основе восстановленного с помощью цитрата натрия серебра приводит к «травлению» полученных структур и, как следствие, невозможности проведения контролируемого синтеза наноструктурированных материалов.

Результаты исследований получены с использованием оборудования ЦКП «Геонаука» и могут быть использованы для синтеза нанокомпозитных материалов типа «металл–опаловая матрица» с различной формой вхождения элементов I группы Ag и Au в надмолекулярную структуру, а также найти широкое применение в различных областях оптики, электроники, катализа.

1. Ивичева С. Н., Каргин Ю. Ф., Ашмарин А. А., Швор­нева Л. И., Иванов В. К. Нанокомпозиты на основе опаловых матриц и металлических наночастиц подгруппы железа // Журнал неорганической химии. 2012. Т. 57. № 11. С. 1508–1517.

2. Ивичева С. Н., Каргин Ю. Ф., Ляпина О. А., Юрков Г. Ю., Куцев С. В., Шворнева Л. И. Наночастицы TiO2 в опаловой матрице // Неорганические материалы. 2009. Т. 45. № 11. С. 1337–1348.

3. Горбацевич О. Б., Холодков Д. Н., Куркин Т. С., Мала­хова Ю. Н., Стрельцов Д. Р., Бурзин А. И., Казакова В. В., Музафаров А. М. Синтез и свойства водорастворимых кремнеземных наночастиц // Известия АН. Сер. хим. 2017. № 3. С. 409–417.

4. Камашев Д. В. Влияние скорости осаждения сферических частиц кремнезема на надмолекулярную структуру опаловой матрицы // Вестник Института геологии Коми НЦ УрО РАН. 2002. № 11. С. 5–8.

5. Камашев Д. В. Влияние условий синтеза на морфологию и свойства надмолекулярных структур кремнезема. Екатеринбург: УрО РАН, 2007. 127 c.

6. Камашев Д. В. Кинетические особенности образования надмолекулярных структур на основе монодисперсных сферических частиц кремнезема // Вестник Института геологии Коми НЦ УрО РАН. 2016. № 6. С. 18–23.

7. Камашев Д. В. Синтез, свойства и модель образования надмолекулярных структур кремнезема // Физика и химия стекла. 2012. Т. 38. № 3. С. 69–80.

8. Камашев Д. В., Асхабов А. М. Динамика формирования глобулярных частиц кремнезема по данным динамического светорассеяния // ДАН. 2018. № 2 T. 480. C. 200–203.

9. Камашев Д. В., Асхабов А. М. Кинетика роста и строение монодисперсных сферических частиц кремнезема по данным динамического светорассеяния // Зап. РМО. Ч. CXLVI. 2017. № 2. С. 46–57.

10. Камашев Д. В. Кряжев А. А. Некоторые особенности внутреннего строения монодисперсных сферических частиц кремнезема // Вестник Института геологии Коми НЦ УрО РАН. 2019. № 5. С. 39–45.

11. Карпов И. А., Самаров Э. Н., Масалов В. М., Божко С. И., Емельченко Г. А. О внутренней структуре сферических частиц опала // Физика твердого тела. 2005. Т. 47. № 2. С. 334–338.

12. Кувшинова Т. Б., Буслаева Е. Ю., Егорышева А. В., Володин В. Д., Скориков В. М., Кожбахтеев Е. М. Синтез нанокомпозитов на основе опаловой матрицы и халькогенидов висмута // Неорганические материалы. 2008. Т. 44. № 12. С. 1441–1445.

13. Ратников В. В. Определение пористости синтетических опалов и пористого кремния рентгеновским методом // Физика твердого тела. 1997. Т. 39. № 5. С. 956–958.

14. Рябенко Е. А., Кузнецов А. И., Шалумов Б. З. и др. О распределении примесей между фазами при глубокой отчистке тетраэтоксисилана раствором аммиака // ЖПХ. 1977. № 7. С. 1625–1627.

15. Самойлович М. И., Белянин А. Ф., Багдасарян А. С. Получение и физические свойства опаловых матриц с наночастицами оксидов Fe и Ti // Химия и технология неорганических материалов. 2016. Т. 11. № 6. С. 91–97.

16. Сердобинцева В. В., Калинин Д. В. Кинетика надмолекулярной кристаллизации при образовании структур благородного опала // Геология и геофизика. 2000. Т. 41. № 2. С. 188–193.

17. Askhab Askhabov, Dmitry Kamashev Aaggregation of prenucleation clusters of «hidden phase» (quatarons) as mechanism for forming of amorphous nano-micro particle // 16th International Clay Conference «16th ICC», 17–21 July 2017. Granada, Spain, Vol. 7, p. 45.

18. Kamashev D. V. Synthesis, Properties, and Model of the Formation of Silica Supramolecular Structures // Glass Physics and Chemistry, 2012, Vol. 38, No. 3, pp. 307–314.

19. Kamashev D. V. Kinetic features of formation of supramolecular matrices on the basis of silica monodisperse spherical particles // In: Glagolev S. (Ed.): ICAM 2019, SPEES, pp. 263–266.

20. Kamashev D. V. The influence of synthesis conditions on the packing of the spherical particles of silica in a supramolecular structure // Journal of Optoelectronics and Advanced Materials. V. 9, 5. 2007. P. 1435–1436.

21. Stober W., Fink A., Bohn E. Controlled growth of monodisperse silica spheres in the micron size range // J. Colloid and Interface Sci., 1968. V. 26. P. 62–69.