Екатерина Королёва
Универсальный материал с большим потенциалом
Молибденовый синий — многообещающий материал, который находит применение в химии, биомедицине и электронике. Причина в том, что одно соединение способно выполнять сразу несколько задач: выявлять токсичные вещества в воде, функционировать в составе медицинских сенсоров, проводить электричество и ускорять химические процессы. Однако его использование пока ограничено, поскольку существующие методы синтеза либо слишком сложны, либо дают большое количество примесей — нередко их объём сопоставим с выходом нужного продукта. Это затрудняет внедрение материала в высокотехнологичные области.
Фото: Сканирующая электронная микроскопия термообработанного ксерогеля. Источник пресс-служба ПНИПУ.
Учёные из РХТУ имени Менделеева, ПНИПУ и Московского центра перспективных исследований совершили открытие в области синтеза наночастиц. Им удалось разработать экологичный и несложный метод их получения. Ранее уровень загрязнения примесями доходил до половины объёма, теперь же он практически сведён к нулю. Кроме того, стало возможным контролировать характеристики готового материала: в зависимости от условий он превращается либо в полупроводник, пригодный для электроники, либо в дешёвый катализатор. Новая методика обеспечивает доступ к недорогим и высокочистым наночастицам, которые востребованы в энергетике, электронике и медицине.
Результаты работы опубликованы в международном журнале «Colloids and Interfaces» в 2026 году.
Что такое молибденовый синий? Молибденовый синий представляет собой вещество яркого синего оттенка. Его образуют частицы диаметром около 3,5 нанометров — для сравнения, человеческий волос толще примерно в 20 тысяч раз.
В каких областях уже нашел применение молибденовый синий?
В настоящее время молибденовый синий используется для определения уровня фосфора в грунте и подкормках. В исследуемый образец добавляются реагенты, и если элемент присутствует, раствор окрашивается в голубой оттенок. Это объясняется тем, что фосфор связывает молекулы молибдена, формируя крупные синие комплексы. Чем больше концентрация фосфора, тем выше количество таких комплексов, а следовательно, и интенсивность окраски. Данный способ отличается простотой и надежностью, поэтому его применяют лаборатории во всех странах. Но потенциал этого соединения намного шире: специалисты выделяют как минимум три главных направления его использования.
Первое направление: доступные альтернативы платине
Первый пункт: соединения на основе молибденового синего служат ускорителями для множества реакций в области органического синтеза. Сегодня для подобных задач используется платина, которая помогает протекать процессам, без неё идущим чрезвычайно медленно. В чём принцип работы платины? Её поверхность играет роль своеобразной опоры: частицы присоединяются к ней и вступают во взаимодействие, при этом сам металл не тратится. Но платина стоит дорого и встречается в природе нечасто. Производные молибдена способны стать более дешёвой заменой — они не проигрывают в эффективности, однако обходятся гораздо дешевле.
Второе направление: память, не требующая энергии, для быстрых вычислительных устройств
Второй пункт: наночастицы молибденового синего могут менять своё электрическое сопротивление под действием тока и удерживать это состояние даже после выключения питания. Это открывает возможность создавать из них энергонезависимые запоминающие устройства, похожие на флеш-накопители, но действующие быстрее. Как это осуществляется? Из таких наночастиц формируют очень тонкий слой, который размещают между крошечными электродами. Каждая отдельная ячейка переключается между режимами «ток идёт» и «ток не идёт» — это двоичная единица и ноль. При этом ячейка не требует внешнего источника энергии для сохранения своего состояния. Обычная оперативная память стирает данные при отключении питания, из-за чего компьютеру нужно каждый раз загружаться заново. Новый вид памяти сделает технику более удобной и экономной в плане энергии.
Третье направление: целенаправленная доставка лекарств и защита от бактерий
Третий пункт: молибден безвреден для живого организма. Это качество делает его привлекательным для разработки препаратов с прицельной доставкой — например, таких, которые могут скапливаться в опухолях, не затрагивая здоровые ткани. Помимо этого, наночастицы молибдена пригодны для создания антибактериальных покрытий на медицинских приборах и имплантах.
Почему данное соединение не нашло применения в передовых технологиях?
Тем не менее, до настоящего момента это вещество не использовалось в указанных высокотехнологичных областях. Проблема в том, что стандартные способы получения оставляют в жидкости множество ионов посторонних веществ. По сути, в одном сосуде вместе с ценными наночастицами присутствует такое же количество лишних продуктов солей и кислот. Избавиться от них крайне затруднительно и требует больших затрат. А без полной чистоты невозможно ни достоверно исследовать характеристики материала, ни внедрить его в массовое производство.
Как исследователи справились с проблемой загрязнения окружающей среды?
Экологическая безопасность — ещё одно достоинство нового подхода. Обычный метод при нагреве исходных материалов выбрасывает в воздух опасные аммиак и соляную кислоту, которые требуется улавливать и нейтрализовать. Новая технология не создаёт вредных газов, что безопасно для людей и экосистемы, а также сокращает затраты на очистительные мероприятия.
Именно эту задачу выполнили специалисты из трёх институтов, расположенных в Москве и Перми. Впервые в мировой практике они представили простой и экологичный метод синтеза наночастиц молибденового синего без образования лишних загрязнений. В традиционных схемах сначала получают наночастицы вместе с побочными продуктами, а затем пытаются их очистить. Исследователи сделали наоборот: вначале устраняют все примеси из исходного раствора, и лишь потом проводят синтез наночастиц.
Для этого раствор молибденовой соли пропускают через колонку, заполненную ионообменной смолой. Этот материал работает как ловушка, задерживая ненужные ионы и замещая их ионами водорода. На выходе получается чистая молибденовая кислота. После этого добавляют аскорбиновую кислоту — витамин C. Он безвреден, ускоряет химическую реакцию образования молибденового синего и одновременно служит поставщиком углерода для последующего получения соединений молибдена. Витамин C запускает процесс: меньше чем через минуту раствор приобретает ярко-синий цвет, в нём образуются однородные наночастицы, по форме напоминающие маленькие кольца.
Комментарий специалиста: уровень посторонних включений приближается к нулю
«Как следствие, доля примесей в жидкости падает до практически полного отсутствия — настолько незначительной, что даже самые чувствительные детекторы не способны её зафиксировать. Микрофотографии демонстрируют, что все частицы обладают единым размером и чрезвычайно схожи между собой. Это представляет собой идеальный вариант для производства: чем меньше чужеродных элементов и чем выше однородность частиц, тем более устойчивыми и предсказуемыми оказываются характеристики материала. А это означает, что его допустимо использовать в серийном выпуске без боязни непредвиденных ситуаций», разъясняет Александр Сюй, профессор кафедры общей физики ПНИПУ, доктор физико-математических наук.
Фото: А.В. Сюй в лаборатории. Источник пресс-служба ПНИПУ.
Управление характеристиками: как количество аскорбиновой кислоты влияет на конечный продукт.
Наибольший интерес вызывает то, что происходит при термической обработке порошка. Выяснилось, что, изменяя лишь объем добавляемого витамина C, можно заранее определять, в какое вещество трансформируется молибденовый синий.
«Если аскорбиновой кислоты внесено мало, при интенсивном нагреве в среде без кислорода формируется диоксид молибдена. Это порошок темно-фиолетового, практически черного оттенка. Данный материал относится к полупроводникам — он пропускает электричество только при соблюдении определенных условий. Подобные вещества применяются для изготовления транзисторов, диодов и интегральных схем. Когда же витамина C взято в избытке, его излишки активируют иной химический процесс, и в итоге получается карбид молибдена — тугоплавкое, электропроводящее соединение, которое великолепно ускоряет протекание химических реакций. Мы впервые доказали, что варьирование дозировки аскорбиновой кислоты позволяет управлять свойствами материала. Это обеспечивает стабильность и прогнозируемость — именно то, что требуется для промышленного применения», — поясняет Александр Сюй.
Итог: от научного открытия к практическому использованию
Таким образом, исследователи не просто создали технологию получения чистых наночастиц молибдена, но и освоили управление их трансформацией в полезные продукты. Это достижение позволит изготавливать доступные катализаторы для химических процессов, энергоэффективные вычислительные устройства и препараты, которые точно доставляются к поражённым участкам организма.