vestichИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия химических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Chemical Series1561-83312524-2342The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"vestich-250Research ArticleФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯPHYSICAL CHEMISTRYСИНТЕЗ И ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ МАГНИТНЫХ НАНОЧАСТИЦ (Mg, Zn)xFe3–xO4(Mg, Zn)xFe3–xO4 NANOPARTICLES: SYNTHESIS, MAGNETIC PROPERTIES, SURFACE FUNCTIONALIZATIONПаньковВ. В.PankovV. V.

д-р хим. наук, проф., зав. кафедрой физ. химии

D. Sc. (Chemistry), Professor, Head of the Physical Chemistry Department

pankov@bsu.byШутоваТ. Г.ShutavaT. G.

канд. хим. наук, вед. науч. сотрудник

Ph. D. (Chemistry), Leading Researcher

tshutova@yahoo.comЛивоновичК. С.LivanovichK. S.

магистр хим. наук, мл. науч. сотрудник

M. Sc. (Chemistry), Junior Researcher

konstantin.livonovich@yandex.byКотиковД. А.KotsikauD. A.

кандидат хим. наук, доцент

Ph. D. (Chemistry), Associate Professor

kotsikau@bsu.byПетроваЕ. Г.PetrovaE. G.

магистр хим. наук, аспирант

M. Sc. (Chemistry), Ph. D. student

petrovaeg@bsu.byНатаровВ. О.NatarovV. O.

магистрант

Master student

che.natarovVO@bsu.byТрухановС. В.TrukhanovS. V.

канд. физ.-мат. наук, вед. науч. сотрудник

Ph.D. (Physics), Senior Researcher

truhanov@ifttp.bas-net.byБелорусский государственный университетBelarusian State UniversityИнститут химии новых материалов НАН БеларусиInstitute of Chemistry of New Materials of the National Academy of Sciences of BelarusНаучно-практический центр НАН Беларуси по материаловедениюScientific and Practical Materials Research Centre of the National Academy of Sciences of Belarus201707082017021524Copyright © Паньков В.В., Шутова Т.Г., Ливонович К.С., Котиков Д.А., Петрова Е.Г., Натаров В.О., Труханов С.В., 20172017Паньков В.В., Шутова Т.Г., Ливонович К.С., Котиков Д.А., Петрова Е.Г., Натаров В.О., Труханов С.В.Pankov V.V., Shutava T.G., Livanovich K.S., Kotsikau D.A., Petrova E.G., Natarov V.O., Trukhanov S.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestichem.belnauka.by/jour/article/view/250

Методом соосаждения с Na2CO3 из растворов солей получены наночастицы твердых растворов в системе (Mg, Zn)xFe3–xO4 (x ≤ 0,3). Для ряда составов (Mg0,1Fe2,9O4, Mg0,05Zn0,1Fe2,85O4, Zn0,18Fe2,82O4) обнаружен рост намагниченности насыщения по сравнению с незамещенным магнетитом (MS = 64 А·м2 ·кг–1), что объясняется склонностью ионов цинка и малых количеств ионов магния занимать в решетке магнетита преимущественно тетраэдрические пустоты. В случае совместного замещения цинком и магнием в системе (Mg, Zn)xFe3–xO4 вплоть до х = 0,3 значения намагниченности насыщения незначительно снижаются относительно магнетита, однако остаются на постоянном уровне (MS ≈ 58 А·м2 ·кг–1), предположительно благодаря стабилизирующему влиянию ионов магния. Ультразвуковым диспергированием нанопорошков в водных растворах полиэлектролитов получали коллоидные растворы наночастиц в неагломерированном состоянии. Наилучшей седиментационной устойчивостью (45 дней) обладают наночастицы, модифицированных слоем положительно заряженного полиэлектролита. Их гидродинамический диаметр не превышает 200 нм, причем преобладает фракция частиц с размерами 40–80 нм. 

The nanoparticles of (Mg, Zn)xFe3–xO4 (x ≤ 0.3) solid solutions have been prepared by coprecipitation with Na2CO3 from solutions of salts. For a number of compositions (Mg0,1Fe2,9O4, Mg0,05Zn0,1Fe2,85O4, Zn0,18Fe2,82O4), an increase of saturation magnetization has been detected, as compared to non-substituted magnetite (MS = 64 emu/g). This can be explained by the tendency of zinc and small amounts of magnesium ions to occupy preferentially tetrahedral sites of the magnetite lattice. In the case of zinc and magnesium joint substitution in the (Mg, Zn)xFe3–xO4 system up to x = 0.3, the values of saturation magnetization decrease slightly comparing to that of magnetite, but remain constant (MS ≈ 58 emu/g). By ultrasound assisted dispersion of nanopowders into polyelectrolyte aqueous solutions, colloidal solutions of non-agglomerated nanoparticles have been prepared. Тhe nanoparticles modified with a layer of positively charged polyelectrolyte demonstrate the best sedimentation stability up to 45 days. Their hydrodynamic diameter is lower than 200 nm, with predominance of the fraction with the size of 40–80 nm.

наночастицы (MgZn)xFe3–xO4соосаждениенамагниченность насыщенияполиэлектролитыадсорбция(MgZn)xFe3–xO4 nanoparticlescoprecipitationsaturation magnetizationpolyelectrolytesadsorptionReferencesНаноматериалы на основе твердых растворов ферритов для низкочастотной магнитной гипертермии злокачественных опухолей / Д. А. Котиков [и др.] // Свиридовские чтения: сб. ст. – Минск: НИИФХП БГУ, 2012. – Вып. 8. – C. 59–67.Kotikov D. A., Pan’kov V. V., Ivanovskaia M. I., Kashevskii B. E., Kashevskii S. B., Petrova E. G., “Nanomaterials based on ferrite solid solutions for low-frequency magnetic hyperthermia of malignant tumors”, Sviridovskie chteniia : sb. st. Vyp. 8 [Sviridov Readings: collection of papers, Issue. 8], BGU, Minsk, BY, 2012, pp. 59–67.Першина, А. Г. Использование магнитных наночастиц в биомедицине / А. Г. Першина, А. Э. Сазонов, И. В. Мильто // Бюллетень сибирской медицины. – 2008. – № 2. – С. 70–78.Pershina A. G., Sazonov A. E., Mil’to I. V., “Use of magnetic nanoparticles in biomedicine”, Biulleten’ sibirskoi med-itsiny [Bulletin of Syberia medicine], 2008, no. 2, pp. 70–78.Соснов, А. В. Разработка систем доставки лекарственных средств с применением микро- и наночастиц / А. В. Соснов, Р. В. Иванов, К. В. Балакин // Качественная клиническая практика. – 2008. – № 2. – С. 4–12.Sosnov A. V., Ivanov R. V., Balakin K. V., “Development of drug delivery systems using micro- and nanoparticles”, Kachestvennaia klinicheskaia praktika [Good clinical practice], 2008, no. 2, pp. 4–12.Ultrasensitive detection and molecular imaging with magnetic nanoparticles / J. Yang [et al.] // The Analyst. – 2008. – Vol. 133. – P.154–160.Yang J., Gunn J., Shivang R., Zhang M., Wangc Y. A., Gao X., “Ultrasensitive detection and molecular imaging with magnetic nanoparticles”, Analyst, 2008, vol. 133, pp. 154–160.Wan, J. Facile synthesis of zinc ferrite nanoparticles as non-lanthanide T1 MRI contrast agents / J. Wan, X. Jiang, H. Li, K. Chen // J. Mater. Chem. – 2012. – Vol.22. – P. 13500–13505.Wan J., Jiang X., Li H., Chen K., “Facile synthesis of zinc ferrite nanoparticles as non-lanthanide T1 MRI contrast agents”, Journal of Materials Chemistry, 2012, vol. 22, pp. 13500–13505.Zinc ferrite nanoparticles as MRI contrast agents / C. Barcena [et al.] // Chem. Commun. – 2008. – Р. 2224–2226.Barcena C., Sra A. K., Chaubey G. S., Khemtong C., Liu J. P., Gao J., “Zinc ferrite nanoparticles as MRI contrast agents”, Chemical Communications, 2008, pp. 2224–2226.New environmental non-toxic agents for preparation of core-shell magnetic nanoparticles / A. E. Chekanova [et al.] // Mendeleev Commmunication. 2009. – Vol. 19. – P. 1–4.Chekanova A. E., Sorkina T. V., Nikiforov V. N., Davidova G. A., “New environmental non-toxic agents for preparation of core-shell magnetic nanoparticles”, Mendeleev Commmunication, 2009, vol. 19, pp. 1–4.Preparation of ZnFe2O4 nanoparticles in the template of silk-fibroin peptide and their neuro-cytocompability in PC12 cells / J. Liu [et al.] // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. – 2013. – Vol. 107. – P. 19–26.Liu J., Deng M., Huang Z., Yin G., Liao X., Gu J., “Preparation of ZnFe2O4 nanoparticles in the template of silk-fibroin peptide and their neuro-cytocompability in PC12 cells”, Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2013, vol. 107, pp. 19–26.Petrova, E. Non-agglomerated magnetic nanoparticles for biodetection, imaging and drug delivery / E. Petrova, D. Kotikov, V. Pankov // Proc. 14th European Conf. Solid State Chem. Bordeaux. – Paris, NISC, 2013. – P. 65.Petrova E., Kotikov D., Pankov V., “Non-agglomerated magnetic nanoparticles for biodetection, imaging and drug delivery”, 14th European Conference on Solid State Chemistry, Bordeaux, 7-10 July 2013, France, NISC, Paris, FR, 2013, p. 65.Structure and magnetic properties of manganese–zinc-ferrites prepared by spray pyrolysis method / D. Kotsikau [et al.] // Solid State Sci. – 2015. – Vol. 39. – P. 69–73.Kotsikau D., Ivanovskaya M., Pankov V., Fedotova Y., “Structure and magnetic properties of manganese–zinc-fer-rites prepared by spray pyrolysis method”, Solid State Sciences, 2015, vol. 39, pp. 69–73.Паньков, В. В. Физико-химические процессы синтеза многокомпонентных оксидов для создания новых функциональных магнитных и проводящих материалов / В. В. Паньков // Вестник БГУ. Сер. 2. – 2011. – № 3. – C. 30–37.Pan’kov V. V., “Physico-chemical processes of multicomponent oxide synthesis for development of new functional magnetic and conducting materials”, Vestnik BGU. Seriia 2 [Bulletin of the Belarusian State University. Series 2], 2011, no. 3, pp. 30–37.Structure, morphology and magnetic properties of MgxZn1–xFe2O4 ferrites prepared by polyol and aqueous coprecipitation methods: a low-toxicity alternative to NixZn1-xFe2O4 ferrites / A. Daigle [et al.] // Nanotech. – 2011. – Vol. 22. – P. 305708.Daigle A., Modest J., Geiler A., Gillette S., Chen Y., Geiler M., Hu B., Kim S., Stopher K., Vittoria C., Harris V. G., “Structure, morphology and magnetic properties of MgxZn1-xFe2O4 ferrites prepared by polyol and aqueous coprecipitation methods: a low-toxicity alternative to NixZn1-xFe2O4 ferrites”, Nanotechnology, 2011, vol. 22, no. 30, p. 305708.Liu, J. Magnetic behavior of Zn-Doped Fe3O4 nanoparticles estimated in terms of crystal domain size / J. Liu, Y. Bin, M. Matsuo // J. Phys. Chem. C. – 2012. – Vol. 116 (1). – P. 134–143.Liu J., Bin Y., Matsuo M., “Magnetic behavior of Zn-Doped Fe3O4 nanoparticles estimated in terms of crystal domain size”, Journal of Physical Chemistry C, 2012, vol. 116, no. 1, pp. 134–143.Petrova, E. Structural characterization and magnetic properties of sol-gel derived ZnxFe3-xO4 nanoparticles / E. Petrova, D. Kotsikau, Vol. Pankov // JMMM. – 2015. – Vol. 378. – P. 429–435.Petrova E., Kotsikau D., Pankov V., “Structural characterization and magnetic properties of sol-gel derived ZnxFe3-xO4 nanoparticles”, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2015, vol. 378, pp. 429–435.Magnetic Behaviors of Mg- and Zn-Doped Fe3O4 Nanoparticles Estimated in Terms of Crystal Domain Size, Dielectric Response, and Application of Fe3O4/Carbon Nanotube Composites to Anodes for Lithium Ion Batteries / Z. Lv [et al.] // J. Phys. Chem. C. – 2015. – Vol. 119 (46). – P. 26128–26142.Lv Zh., Wang Q., Bin Yu., Huang L., Zhang R., Zhang P., Matsuo M., “Magnetic Behaviors of Mg- and Zn-Doped Fe3O4 Nanoparticles Estimated in Terms of Crystal Domain Size, Dielectric Response, and Application of Fe3O4/Carbon Nanotube Composites to Anodes for Lithium Ion Batteries”, Journal of Physical Chemistry C, 2015, vol. 119, no. 46, pp. 26128–26142.Карпова, С. С. Исследование влияния кислотно-основных свойств поверхности оксидов ZnO, Fe2O3 и ZnFe2O4 на их газочувствительность по отношению к парам этанола / С. С. Карпова и др. // Физика и техника. – 2013. – Т. 47 (8). – С. 1022–1026.Karpova S. S., Moshnikov V. A., Maksimov A. I., Miakin S. V., Kazantseva N. E., “Investigation of the effect of acid-base properties of ZnO, Fe2O3 and ZnFe2O4 surface on their gas sensitivity toward ethanol vapours”, Fizika i tekhnika poluprovodnikov [Physics and technology of semiconductors], 2013, vol. 47, no. 8, pp. 1022–1026.Sanpo, N. Biocompatibility of transition metal-substituted cobalt ferrite nanoparticles / N. Sanpo [et al.] // J. Nanopart. Res. – 2014. – Vol. 16. – P. 2510–2522.Sanpo N., Tharajak J., Li Y., Berndt Ch. C., Wen C., Wang Ja. Y., “Biocompatibility of transition metal-substituted cobalt ferrite nanoparticles”, Journal of Nanoparticle Research, 2014, vol.16, no. 7, pp. 2510–2522.Santos, H. M. Ultrasound in Chemistry: Analytical Applications / H. M. Santos, C. Lodeiro, J. L. Capello-Martinez // J. L. Capelo-Martinez Ed. – Wiley-VCH: Weinheim. – 2009. – P. 1–16.Capello-Martinez J. L. (ed.), Ultrasound in Chemistry: Analytical Applications, Wiley-VCH, Weinheim, DE, 2009.Lvov, Y. Making aqueous nanocolloids from low soluble materials: LbL shells on nanocores. / Y. Lvov, P. Pattekari, T. Shutava // Multilayer Thin Films: Sequential Assembly of Nanocomposite Materials / Eds. G. Decher, J. Schlenoff. – Wiley-VCH, NY, London, 2012. – Chapter 14. – P. 151–170.Lvov Y., Pattekari P., Shutava T., “Making aqueous nanocolloids from low soluble materials: LbL shells on nano-cores”, in Decher G., Schlenoff J. (ed.), Multilayer Thin Films: Sequential Assembly of Nanocomposite Materials, Wiley-VCH, NY, London, UK, 2012, Chapter 14, pp. 151–170.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.