Влияние РН и концентрации индифферентного электролита на агрегативную устойчивость водного золя детонационного наноалмаза
- Авторы: Волкова А.В.1, Белобородов А.А.1, Водолажский В.А.1, Голикова Е.В.1, Ермакова Л.Э.1
-
Учреждения:
- Санкт-Петербургский государственный университет
- Выпуск: Том 86, № 2 (2024)
- Страницы: 169-192
- Раздел: Статьи
- URL: https://journals.rcsi.science/0023-2912/article/view/259138
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0023291224020031
- EDN: https://elibrary.ru/DHNPYD
- ID: 259138
Цитировать
Аннотация
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.
Полный текст
Об авторах
А. В. Волкова
Санкт-Петербургский государственный университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: anna.volkova@spbu.ru
Россия, Университетская наб., 7–9, Санкт-Петербург, 199034
А. А. Белобородов
Санкт-Петербургский государственный университет
Email: anna.volkova@spbu.ru
Россия, Университетская наб., 7–9, Санкт-Петербург, 199034
В. А. Водолажский
Санкт-Петербургский государственный университет
Email: anna.volkova@spbu.ru
Россия, Университетская наб., 7–9, Санкт-Петербург, 199034
Е. В. Голикова
Санкт-Петербургский государственный университет
Email: anna.volkova@spbu.ru
Россия, Университетская наб., 7–9, Санкт-Петербург, 199034
Л. Э. Ермакова
Санкт-Петербургский государственный университет
Email: anna.volkova@spbu.ru
Россия, Университетская наб., 7–9, Санкт-Петербург, 199034
Список литературы
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- Чиганова Г.А. Влияние гидратации частиц на агрегативную устойчивость ультрадисперсных алмазов // Коллоидный журнал. 1997. Т. 59. № 1. С. 93–95.
- Чиганова Г.А. Агрегирование частиц в гидрозолях ультрадисперсных алмазов // Коллоидный журнал. 2000. Т. 62. № 2. С. 272–277.
- 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.
- 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.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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.
- 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
- 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]
- 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
- 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
- Чураев Н.В., Соболев В.Д. Вклад структурных сил в смачивание поверхности кварца растворами электролита // Коллоидный журнал. 2000. Т. 62. № 2. С. 278–285.
- 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
- 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
- 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
- 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
- Derjaguin B.V., Churaev N.V., Müller V.M., Surface Forces, Consultants Bureau, New York, London (1987).
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- Кулакова И.И. Химия поверхности наноалмазов // Физика твердого тела. 2004. T. 46. № 4. С. 621–628.
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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