Влияние РН и концентрации индифферентного электролита на агрегативную устойчивость водного золя детонационного наноалмаза

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Экспериментально и теоретически в рамках классической и расширенной теории ДЛФО изучена коагуляция полидисперсного водного золя детонационного наноалмаза (ДНА), содержащего первичные агрегаты с преимущественным средним размером в диапазоне 20–200 нм, в зависимости от концентрации индифферентного электролита (NaCl) и потенциалопределяющих ионов (рН). Показано, что заряжение поверхности частиц ДНА происходит вследствие ионизации ионогенных амфотерных гидроксильных и кислотных карбоксильных групп на поверхности частиц ДНА. Определенное значение рН изоэлектрической точки частиц ДНА составило 7.5 ед. рН. Установлено, что основной фактор стабилизации водного золя ДНА электростатический. Показано, что теоретическое описание устойчивости и коагуляции золя возможно в рамках обобщенной теории ДЛФО при использовании эффективной константы Гамакера для первичных пористых агрегатов и учете исходной полидисперсности частиц ДНА.

Full Text

Restricted Access

About the authors

А. В. Волкова

Санкт-Петербургский государственный университет

Author for correspondence.
Email: anna.volkova@spbu.ru
Russian Federation, Университетская наб., 7–9, Санкт-Петербург, 199034

А. А. Белобородов

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: anna.volkova@spbu.ru
Russian Federation, Университетская наб., 7–9, Санкт-Петербург, 199034

В. А. Водолажский

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: anna.volkova@spbu.ru
Russian Federation, Университетская наб., 7–9, Санкт-Петербург, 199034

Е. В. Голикова

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: anna.volkova@spbu.ru
Russian Federation, Университетская наб., 7–9, Санкт-Петербург, 199034

Л. Э. Ермакова

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: anna.volkova@spbu.ru
Russian Federation, Университетская наб., 7–9, Санкт-Петербург, 199034

References

  1. Rosenholm J.M., Vlasov I.I., Burikov S.A. et al. Nanodiamond-based composite structures for biomedical imaging and drug delivery // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2015. V. 15. № 2. P. 959–971. https://doi.org/10.1166/jnn.2015.9742
  2. Schrand A.M., Ciftan Hens S.A., Shenderova O.A. Nanodiamond particles: Properties and perspectives for bioapplications // Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. 2009. V. 34. № 1–2. P. 18–74. https://doi.org/10.1080/10408430902831987
  3. Turcheniuk K., Mochalin V.N. Biomedical applications of nanodiamond // Nanotechnology. 2017. V. 28. P. 252001–252027. https://doi.org/10.1016/j.slast.2023.03.007
  4. Yu Y., Nishikawa M., Liu M. et al. Self-assembled nanodiamond supraparticles for anticancer chemotherapy // Nanoscale. 2018. V. 10. № 19. P. 8969–8978. https://doi.org/10.1039/C8NR00641E
  5. Qina S.-R., Zhao Q., Cheng Z.-G. et al. Rare earth-functionalized nanodiamonds for dual-modal imaging and drug delivery // Diamond & Related Materials. 2019. V. 91. P. 173–182. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2018.11.015
  6. Alkahtani M.H., Alghannam F., Jiang L. et al. Fluorescent nanodiamonds: Past, present, and Future // Nanophotonics. 2018. V. 7. № 8. P. 1423–1453. https://doi.org/10.1515/nanoph-2018-0025
  7. Nunn N., d’Amora M., Prabhakar N. et al. Fluorescent single-digit detonation nanodiamond for biomedical applications // Methods Appl. Fluoresc. 2018. V. 6. № 3. P. 035010. https://doi.org/10.1088/2050-6120/aac0c8
  8. Panich A.M., Salti M., Prager O. et al. PVP-coated Gd-grafted nanodiamonds as a novel and potentially safer contrast agent for in vivo MRI // Magn. Reason. Med. 2021. V. 86. № 2. P. 935–942. https://doi.org/10.1002/mrm.28762
  9. Panich A.M., Salti M., Goren S.D. et al. Gd(III)-grafted detonation nanodiamonds for MRI contrast enhancement // J. Phys. Chem. 2019. V. 123. № 4. P. 2627–2631. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b11655
  10. Panich A.M., Shames A.I., Goren S.D. et al. Examining relaxivities in suspensions of nanodiamonds grafted by magnetic entities: Comparison of two approaches // Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine. 2020. V. 33. P. 885–888. https://doi.org/10.1007/s10334-020-00847-3
  11. Panich A.M., Shames A.I., Aleksenskii A.E. et al. Manganese-grafted detonation nanodiamond, a novel potential MRI contrast agent // Diamond & Related Materials. 2021. V. 119. P. 108590. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2021.108590
  12. Fujisaku T., Tanabe R., Onoda S. et al. pH nanosensor using electronic spins in diamond // ACS Nano. 2019. V. 13. № 10. P. 11726–11732. https://doi.org/10.1021/acsnano.9b05342
  13. Batsanov S.S., Dan’kin D.A., Gavrilkin S.M. et al. Structural changes in colloid solutions of nanodiamond // New J. Chem. 2020. V. 44. № 4. P. 1640–1647. https://doi.org/10.1039/C9NJ05191K
  14. Mchedlov-Petrossyan N.O., Kamneva N.N., Marynin A.I. et al. Colloidal properties and behaviors of 3 nm primary particles of detonation nanodiamonds in aqueous media // Phys. Chem. Chem. Phys. 2015. V. 17. № 24. P. 16186–16203. https://doi.org/10.1039/C5CP01405K
  15. Mchedlov-Petrossyan N.O., Kamneva N.N., Kryshtal A.P. et al. The properties of 3 nm-sized detonation diamond from the point of view of colloid science // Ukr. J. Phys. 2015. V. 60. № 9. Р. 932–937. https://doi.org/10.15407/ujpe60.09.0932
  16. Mchedlov-Petrossyan N.O., Kriklya N.N., Kryshtal A.P. et al. The interaction of the colloidal species in hydrosols of nanodiamond with inorganic and organic electrolytes // Journal of Molecular Liquids. 2019. V. 283. P. 849–859. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.03.095
  17. Kamneva N.N., Tkachenko V.V., Mchedlov-Petrossyan N.O. et al. Interfacial electrical properties of nanodiamond colloidal species in aqueous medium as examined by acid-base indicator dyes // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2018. V. 54. P. 64–72. https://doi.org/10.3103/S1068375518010088
  18. Korobov M.V., Avramenko N.V., Bogachev A.G. Nanophase of water in nano-diamond gel // J. Phys. Chem. 2007. V. 111. № 20. P. 7330–7334. https://doi.org/10.1021/jp0683420
  19. Batsanov S.S., Lesnikov E.V., Dan’kin D.A., Balakhanov D.M. Water shells of diamond nanoparticles in colloidal solutions // Applied Physics Letters. 2014. V. 104. № 13. P. 133105. https://doi.org/10.1063/1.4870464
  20. Petit T., Puskar L., Dolenko T. et al. Unusual water hydrogen bond network around hydrogenated nanodiamonds // J. Phys. Chem. 2017. V. 121. № 9. P. 5185–5194. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b00721
  21. Petit T., Yuzawa H., Nagasaka M. et al. Probing interfacial water on nanodiamonds in colloidal dispersion // J. Phys. Chem. Lett. 2015. V. 6. № 15. P. 2909–2912. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5b00820
  22. Emelyanenko A.M., Emelyanenko K.A., Vul A.Ya. et al. The role of nanoparticle charge in crystallization kinetics and ice adhesion strength for dispersionsof detonation nanodiamonds // Phys. Chem. Chem. Phys. 2023. V. 25. № 5. P. 3950–3958. https://doi.org/10.1039/D2CP05144C
  23. Batsanov S.S., Gavrilkin S.M., Korzhenevskiy A.P. et al. Giant permittivity of confined water on nanodiamonds // J. Phys. Chem. C. 2022. V. 126. № 14. P. 6385–6393. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c08827
  24. Чиганова Г.А. Влияние гидратации частиц на агрегативную устойчивость ультрадисперсных алмазов // Коллоидный журнал. 1997. Т. 59. № 1. С. 93–95.
  25. Чиганова Г.А. Агрегирование частиц в гидрозолях ультрадисперсных алмазов // Коллоидный журнал. 2000. Т. 62. № 2. С. 272–277.
  26. Морару В.Н., Овчаренко Ф.Д., Троцкая Л.А. Устойчивость и электроповерхностные свойства водных дисперсий окисленного синтетического алмаза // Коллоидный журнал. 1991. Т. 53. № 5. С. 874–879.
  27. Овчаренко А.Г., Солохина А.Б., Сатаев Р.Р., Игнатенко А.В. Электрофоретическое поведение агрегатов ультрадисперсных алмазных частиц // Коллоидный журнал. 1991. Т. 53. № 6. С. 1067–1071.
  28. Chiganova G.A., Gosudareva E.Yu. Structure formation in aqueous dispersions of detonation nanodiamonds // Nanotechnologies in Russia. 2016. V. 11. № 7–8, P. 401–406. https://doi.org/10.1134/S1995078016040042
  29. Сычёв Д.Ю., Жуков А.Н., Голикова Е.В., Суходолов Н.Г. Влияние простых электролитов на коагуляцию гидрозолей монодисперсного отрицательно заряженного детонационного наноалмаза // Коллоидный журнал. 2017. Т. 79. № 6. С. 785–791. https://doi.org/10.7868/S0023291217060118
  30. Mchedlov-Petrossyan N.O., Kriklya N.N., Laguta A.N., Osawa E. Stability of detonation nanodiamond colloid with respect to inorganic electrolytes and anionic surfactants and solvation of the particles surface in DMSO–H2O organo-hydrosols // Liquids. 2022. V. 2. № 3. P. 196–209. https://doi.org/10.3390/liquids2030013
  31. Волкова А.В., Вдовиченко Д.А., Голикова Е.В., Ермакова Л.Э. Закономерности протекания процессов коагуляции в полидисперсном нанозоле оксида циркония // Коллоидный журнал. 2021. Т. 83. № 5. С. 512–523. https://doi.org/10.31857/S002329122105013X
  32. Wiersema P.H., Loeb A.L., Overbeek J.T.G. Calculation of the electrophoretic mobility of a spherical colloid particle // J. Colloid Interface Sci. 1966. V. 22. № 1. P. 78–99. https://doi.org/10.1016/0021-9797(66)90069-5
  33. Дерягин Б.В., Ландау Л.Д. Теория устойчивости сильно заряженных лиофобных золей и слипания сильно заряженных частиц в растворах электролитов // ЖЭТФ. 1941. Т. 11. № 2. С. 802–821.
  34. Derjaguin B., Landau L. Theory of the stability of strongly charged lyophobic sols and of the adhesion of strongly charged particles in solutions of electrolyte // Prog. Surf. Sci. 1993. V. 43. № 1–4. P. 30–59. https://doi.org/10.1016/0079-6816(93)90013-L
  35. Дерягин Б.В. Теория устойчивости коллоидов и тонких пленок. М.: Наука, 1986. 206 с. Derjaguin B.V. Theory of stability of colloids and thin films, Nauka, Moscow. 1986]
  36. Derjaguin B.V., Сhuraev N.V. Inclusion of structural forces in the theory of stability of colloids and films // J. Colloid Interface Sci. 1985. V. 103. № 2. P. 542–553. https://doi.org/10.1016/0021-9797(85)90129-8
  37. Boström M., Deniz V., Franks G.V., Ninham B.W. Extended DLVO theory: Electrostatic and non-electrostatic forces in oxide suspensions // Adv. Colloid. Interf. Sci. 2006. V. 123–126. P. 5–15. https://doi.org/10.1016/j.cis.2006.05.001
  38. Чураев Н.В., Соболев В.Д. Вклад структурных сил в смачивание поверхности кварца растворами электролита // Коллоидный журнал. 2000. Т. 62. № 2. С. 278–285.
  39. Oshima H.J., Healy T.W., White L.R. Improvement on Hogg-Healy-Fuerstenau formulas for the interaction on dissimilar double layers // J. Colloid Interf. Sci. 1982. V. 89. № 2. P. 484–493. https://doi.org/10.1016/0021-9797(82)90199-0
  40. Casimir H.B.G., Polder D. The influence of retardation of the London-van-der-Waals // Phys. Rev. 1948. V. 73. № 4. P. 360–372. https://doi.org/10.1103/PhysRev.73.360
  41. Schenkel J.H., Kitchener J.A. A test of the Derjaguin-Verwey-Overbeek theory with a colloidal suspension // Trans. Faraday Soc. 1960. V. 56. P. 161–173. https://doi.org/10.1039/TF9605600161
  42. Bergström L. Hamaker constants of inorganic materials // Advances in Colloid and Interface Science. 1997. V. 70. P. 125–169. https://doi.org/10.1016/S0001-8686(97)00003-1
  43. Derjaguin B.V., Churaev N.V., Müller V.M., Surface Forces, Consultants Bureau, New York, London (1987).
  44. McGown D.N.L., Parfitt G.D. Improved theoretical calculation of stability ratio for colloidal systems // J. Phys. Chem. 1967. V. 71. № 2. P. 419–450. https://doi.org/10.1021/j100861a041
  45. Molina-Bolı´var J.A., Galisteo-Gonza´lez F., Hidalgo-A´lvareza R. Colloidal aggregation in energy minima of restricted depth //J. Chem. Phys. 1999. V. 110. № 11. P. 5412–5420. https://doi.org/10.1063/1.478436
  46. Ruckenstein E., Huang H. Colloid restabilization at high electrolyte concentrations: Effect of ion valency // Langmuir. 2003. V. 19. № 7. P. 3049–3055. https://doi.org/10.1021/la026729y
  47. Нogg R., Yang K.C. Secondary coagulation // J. Colloid Interface Sci. 1976. V. 56. № 3. P. 573–576. https://doi.org/10.1016/0021-9797(76)90123-5
  48. Petit T., Puskar L. FTIR spectroscopy of nanodiamonds: Methods and interpretation // Diamond & Related Materials. 2018. V. 89. P. 52–66. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2018.08.005
  49. Shenderova O., Panich A.M., Moseenkov S. et al. Hydroxylated detonation nanodiamond: FTIR, XPS, and NMR studies // Phys. Chem. C. 2011. V. 115. № 39. P. 19005–19011. https://doi.org/10.1021/jp205389m
  50. Кулакова И.И. Химия поверхности наноалмазов // Физика твердого тела. 2004. T. 46. № 4. С. 621–628.
  51. Mochalin V., Osswald S., Gogotsi Yu. Contribution of functional groups to the Raman spectrum of nanodiamond powders // Chem. Mater. 2009. V. 21. № 2. P. 273–279. https://doi.org/10.1021/cm802057q
  52. Шарин П.П., Сивцева А.В., Яковлева С.П. и др. Сравнение морфологических и структурных характеристик частиц нанопорошков, полученных измельчением природного алмаза и методом детонационного синтеза // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2019. Т. 4. С. 55–67. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2019-4-55-67
  53. Шарин П.П., Сивцева А.В., Попов В.И. Термоокисление на воздухе нанопорошков алмазов, полученных механическим измельчением и методом детонационного синтеза // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2022. № 4. С. 67–83. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2022-4-67-83
  54. Шарин П.П., Сивцева А.В., Попов В.И. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия наноалмазов, полученных измельчением и детонационным синтезом // Журнал технической физики. 2021. Т. 91. № 2. С. 287–290. https://doi.org/10.21883/JTF.2021.02.50364.203-20
  55. Thomas A., Parvathy M.S., Jinesh K.B. Synthesis of nanodiamonds using liquid-phase laser ablation of graphene and its application in resistive random access memory // Carbon Trends. 2021. V. 3. P. 100023. https://doi.org/10.1016/j.cartre.2020.100023
  56. Lim D.G., Kim K.H., Kang E. et al. Comprehensive evaluation of carboxylated nanodiamond as a topical drug delivery system // International Journal of Nanomedicine. 2016. V. 11. P. 2381–2395. https://doi.org/10.2147/IJN.S104859
  57. Frese N., Mitchell S.T., Bowers A. et al. Diamond-like carbon nanofoam from low-temperature hydrothermal carbonization of a sucrose/naphthalene precursor solution // Journal of Carbon Research. 2017. V. 3. № 3. P. 23. https://doi.org/10.3390/c3030023
  58. Testolin A., Cattaneo S., Wang W. et al. Cyclic Voltammetry characterization of Au, Pd, and AuPd nanoparticles supported on different carbon nanofibers // Surfaces. 2019. V. 2. № 1. P. 205–215. https://doi.org/10.3390/surfaces2010016

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. A1. Radiograph of the BOTTOM powder.

Download (82KB)
Indexing metadata
3. Fig. 1. IR absorption spectrum of the BOTTOM powder with subtraction of the baseline and reduction to the maximum in the region of valence vibrations of OH groups.

Download (98KB)
Indexing metadata
4. Fig. 2. Raman scattering spectrum of the BOTTOM layer.

Download (75KB)
Indexing metadata
5. Fig. 3. X-ray photoelectron spectrum of C1s (a) and O1s (b) of the BOTTOM powder.

Download (166KB)
Indexing metadata
6. Fig. 4. The three-dimensional averaged particle size distribution of the BOTTOM water sol, diluted by 50 times, obtained by analyzing the trajectory of particles.

Download (76KB)
Indexing metadata
7. Fig. 5. Particle size distribution of the initial BOTTOM water sol obtained by the DRS method.

Download (79KB)
Indexing metadata
8. Fig. 6. SEM-image of the particles of the initial water sol of the BOTTOM.

Download (85KB)
Indexing metadata
9. Fig. 7. Dependence of the optical density of the BOTTOM hydrosol on the observation time at different concentrations of sodium chloride solutions and a natural pH value (5.8–6.0).

Download (152KB)
Indexing metadata
10. Figure 8. Dependence of the optical density of the BOTTOM water sol on the concentration of NaCl solutions for 0.5 (curve 1) and 15 (curve 2) minutes of observation at natural pH.

Download (91KB)
Indexing metadata
11. Fig. 9. Dependence of the zeta potential (ζW) of particles The BOTTOM depends on the concentration of sodium chloride solutions at the natural pH value.

Download (56KB)
Indexing metadata
12. Fig. 10. Dependences of the energy of paired interaction of primary nanoparticles of the BOTTOM (6.3 nm) on the state at natural pH and different concentrations of sodium chloride solutions. Calculation based on the extended DLFO theory. A = 1.38 × 10-19 J, K = 1 × 106 J/m3; l = 1.0 nm.

Download (97KB)
Indexing metadata
13. Fig. 11. Dependences of the energy of the pair interaction of the BOTTOM aggregates (45 nm (a) and 135 nm (b)) on the distance at natural pH and different concentrations of sodium chloride solutions. Calculation based on the extended DLFO theory . Aeff = 0.58 × 10-19 J, K = 1 × 106 J/m3; l = 1.0 nm.

Download (230KB)
Indexing metadata
14. Fig. 12. Dependences of the relative optical density of the BOTTOM sol (at t = 0.5 minutes) (curve 1), particle size (at t = 20 minutes) (curve 2) and the even aggregation factor (1/W Sum) for aggregates with a size of 135 nm (curve 3) and 45 nm (curve 4) of the concentration of NaCl solutions. Calculated parameters of structural forces: K = 106 J/m3, l = 1 nm; Aeff = 0.58 ×10-19 J. Numerical values at points (curve 2) are the fraction (%) of the intensity of light scattered by particles of a given size (given for the case of a bimodal distribution).

Download (130KB)
Indexing metadata
15. Fig. 13. Dependence of optical density on time at different pH values in 10-3 M sodium chloride solution.

Download (128KB)
Indexing metadata
16. Fig. 14. Dependence of the electrokinetic potential (ζW) of the BOTTOM hydrosol particles on the pH of 10-3 M of the sodium chloride solution.

Download (56KB)
Indexing metadata
17. Fig. 15. Dependence of the optical density of the BOTTOM water sol on the concentration of NaCl solutions for 0.5 (curve 1) and 15 (curve 2) minutes of observation, as well as the average particle size (t = 20 minutes, curve 3) at natural pH. The numerical values at the points (curve 3) are the fraction (%) of the intensity of light scattered by particles of a given size (given for the case of a bimodal distribution).

Download (129KB)
Indexing metadata
18. Fig. 16. The size distribution of the BOTTOM water sol particles obtained by the DRS method in 10-3 M NaCl solution at pH 5.8.

Download (81KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies