Вуглецеві нанотрубки у рідких середовищах: вплив сольватації на колоїдну стабільність

doi:10.26565/2220-637X-2026-46-01

Владислав Гайдар Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна https://orcid.org/0000-0002-0877-5471
Ксенія Склярова Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна https://orcid.org/0009-0007-5608-6199
Володимир Карбівський Інститут фізики металів НАН України імені Г. В. Курдюмова https://orcid.org/0000-0003-0412-2788
Олександр Кришталь Університет Науки та Технології, Факультет інженерії металів та промислової інформатики https://orcid.org/0000-0002-6528-8821
Сергій Богатиренко Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна https://orcid.org/0000-0002-6044-6886
Микола Мчедлов-Петросян Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна https://orcid.org/0000-0001-6853-8411

DOI: https://doi.org/10.26565/2220-637X-2026-46-01

Ключові слова: вуглецеві нанотрубки, суспензії у воді, ацетонітрил, диметилсульфоксид, критична концентрація коагуляції, сольватація

Анотація

У цій статті представлено результати дослідження колоїдних властивостей багатошарових вуглецевих нанотрубок (MWCNT) у воді та двох органічних розчинниках. Дана робота є продовженням систематичного вивчення агрегативної стійкості та коагуляції вуглецевих наночастинок у різних розчинниках з метою виявлення внеску сольватаційної складової в колоїдні властивості цих широко використовуваних систем. Зразки були охарактеризовані методами EDS та XPS. Суспензію готували з використанням ультразвукової обробки в N-метилпіролідин-2-оні та розбавляли у 100 разів водою, ацетонітрилом або диметилсульфоксидом. Робоча концентрація вуглецевих нанотрубок становила 0,05 мас./об.%. Розмір негативно заряджених частинок у воді, 95 об.% водному ацетонітрилі та 95 об.% ДМСО визначали за допомогою динамічного розсіювання світла: значення Z_aver становлять 249±15, 265±42 та 146±8 нм відповідно, що відповідає діаметру еквівалентної сфери. TЕМ-зображення показують, що діаметр частинок у водній суспензії становить приблизно 9–11 нм, а довжина – приблизно 40–170 нм. Критичні концентрації коагуляції (ККК) NaCl визначали за допомогою функції Фукса. Ці значення суттєво відрізняються у воді та 95 об.% ацетонітрилі: ККК = 230 і 1.03 мМ відповідно. У 95 об.% ДМСО коагуляція менш виражена. Оцінка результатів проведена з урахуванням донорних чисел Гутмана для органічних розчинників та специфіки гідратації неполярних матеріалів у водному середовищі. ККК HCl у воді становить 1.5 мМ, що свідчить про роль іонів HO^–у формуванні негативного заряду колоїдних частинок MWCNT.

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Посилання

Hughes K. J., Iyer K. A., Bird R. E., Ivanov J., Banerjee S., Georges G., Zhou Q. A. Review of Carbon Nanotube Research and Development: Materials and Emerging Applications. ACS Appl. Nano Mater. 2024, 7 (16), 18695–18713. https://doi.org/10.1021/acsanm.4c02721

Chen G., Tang D.-M. Advances in Carbon Nanotubes: Synthesis, Properties, and Cutting-Edge Applications. Nanomaterials 2025, 15, 1595. https://doi.org/10.3390/nano15201595

Sandoval S., Gonçalves G., Perez Barrio J., Kharlamova M. V., Tobias-Rossell G. A Comprehensive Review on Filled Carbon Nanotubes: Synthesis, Properties and Applications. Chem. Rev. 2026, 126 (4), 2283–2290. https://pubs.acs.org/action/showCitFormats?doi=10.1021/acs.chemrev.5c00219&ref=pdf

Gajewska A., Istif A., Gul J., Chironi M., Faidiga A., Rocco M., Slavec K., Gianferrara T., Da Ros T. Chapter 1: Carbon nanostructures: drug delivery and beyond. In: Carbon nanostructures for biomedical applications. 2021, 1–38. https://doi.org/10.1039/9781839161070-00001

Deline A.R., Frank B.P., Smith C.L., Sigmon L.R., Wallace A.N., Gallagher M.J., Goodwin D.G., Durkin D.P., Fairbrother D.H. Influence of Oxygen-Containing Functional Groups on the Environmental Properties, Transformations, and Toxicity of Carbon Nanotubes. Chem. Rev. 2020, 120 (20), 11651–11697. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00351

Laguta A.N., Mchedlov-Petrossyan N.O., Bogatyrenko S.I., Kovalenko S.M., Bunyatyan N.D., Trostianko P.V., Karbivskii V.L., Filatov D.Yu. Interaction of aqueous suspensions of single-walled oxidized carbon nanotubes with inorganic and organic electrolytes. J. Mol. Liquids. 2022, 117948. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.117948

Giordano A. N., Chaturvedi H., Poler J. C. Critical Coagulation Concentrations for Carbon Nanotubes in Nonaqueous Solvent. J. Phys. Chem. C 2007, 111 (31), 11583–11589. https://doi.org/10.1021/jp0729866

Forney M. W., Poler J. C. Significantly Enhanced Single-Walled Carbon Nanotube Dispersion Stability in Mixed Solvent Systems. J. Phys. Chem. C 2011, 115 (21), 10531–10536. https://doi.org/10.1021/jp202559m

Forney M. W., Anderson J. S., Ameen A. L., Poler J. C. Aggregation Kinetics of Single-Walled Carbon Nanotubes in Nonaqueous Solvents: Critical Coagulation Concentrations and Transient Dispersion Stability. J. Phys Chem. C 2011, 115 (47), 23267–23272. https://doi.org/10.1021/jp206672r

Laguta A. N., Mchedlov-Petrossyan N. O., Kovalenko S. M., Voloshina T. O., Haidar V. I., Filatov D. Yu., Trostyanko P. V., Karbivski V. L., Bogatyrenko S. I., Xu Liyuan, Prezhdo O. V. Stability of Aqueous Suspensions of COOH-decorated Carbon Nanotubes to Organic Solvents, Esterification, and Decarboxylation. J. Phys. Chem. Lett. 2022, 13, 10126−10131 https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.2c02902

Haidar V. I., Mchedlov-Petrossyan N. O. The influence of solvation on the colloid stability of single-walled carbon nanotubes. FNCN, 2025, 33, 634–640. https://doi.org/10.1080/1536383X.2024.2440054

Reichardt C., Welton T. Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry; Wiey-VCH: Weinheim, 2011; p. 692.

Bergin S. D., Sun Z., Rickard D., Streich P. V., Hamilton J. P., Coleman J. N. Multicomponent Solubility Parameters for Single-Walled Carbon Nanotube-Solvent Mixtures. ACS Nano 2009, 3 (8), 2340–2350. https://doi.org/10.1021/nn900493u

Delgado A.V., González-Caballero F., Hunter R.J., Koopal L.K., Lyklema J. Measurement and interpretation of electrokinetic phenomena. J. Colloid Int.Sci. 2007, 309 (2) 194–224, https://doi.org/10.1016/j.jcis.2006.12.075

Boulbet-Friedelmeyer L., Pécastaings G., Labrugère-Sarroste C., Faraudo J., Pénicaud A., Drummond, C. Graphene in Water Is Hardly Ever Neutral. Advanced Science 2024, 11 (39), 2403760. https://doi.org/10.1002/advs.202403760

Chibowski E., Wiacek A. E., Holysz L., Terpilowski K. Investigation of the Electrokinetic Properties of Paraffin Suspension. 1. In Inorganic Electrolyte Solutions. Langmuir 2005, 21(10), 4347-4355. https://doi.org/10.1021/la046921v

Iglesias-Sigüenza J., Alcarazo M. Fullerenes as Neutral Carbon-Based Lewis Acids. Angew. Chem., Int. Ed. 2012, 51 (7), 1523–1524. https://doi.org/10.1002/anie.201107399

Jin, P.; Nagase, S. Density functional theory study of fullerene−carbine Lewis acid−base adducts: critical role of dispersion interactions. RSC Adv. 2013, 3, 10177−10180. https://doi.org/10.1039/c3ra41321g

Zhao J., Wang Z., White J. C., Xing, B. Graphene in the Aquatic Environment: Adsorption, Dispersion, Toxicity and Transformation. Environ. Sci. Technol. 2014, 48 (17), 9995–10009. https://doi.org/10.1021/es5022679

Mchedlov-Petrossyan N.O., Marfunin M.O., Kriklya N.N. Colloid Chemistry of Fullerene Solutions. Liquids 2024, 4, 32–72. https://doi.org/10.3390/liquids4010002