en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-09-102-113
УДК: 549.514.51, 620.3, 534.522
Исследование наноразмерного кварца шунгитовых пород
Полный текст на elibrary.ru
Публикация в Journal of Optical Technology
Предмет исследования. Наноразмерный кварц, выделенный из кварцевых жил шунгитовых пород Карелии. Цель работы. Получение и исследование наночастиц кварца шунгитовых пород, сравнение их структурных и спектральных характеристик с характеристиками природного кварца традиционных месторождений для оценки применения в оптике и биомедицине. Метод. Исследуемые образцы из секущих шунгитовых пород кварцевых жил и образцы сравнения подготавливались одинаково: измельчались, промывались, переводились в дисперсию и центрифугировались. Порошки и конденсаты наночастиц кварца анализировались методами рентгеноструктурного анализа, комбинационного рассеяния света и сканирующей электронной микроскопии. Размер наночастиц кварца в водной дисперсии оценивался по данным динамического светорассеяния. Основные результаты. По данным рентгеноструктурного анализа кварц шунгитовых пород отнесен к низкотемпературному a-кварцу тетрагональной структуры (пространственная группа Р41212) и имеет близкий размер кристаллитов (меньше 100 нм). Определены параметры кристаллической решетки и области когерентного рассеяния жильного a-кварца шунгитовых пород после различных обработок исследуемых образцов (диспергирование, обработка водой, ультразвуком). Наночастицы кварца выделены и стабилизированы в водной дисперсии. Средний размер наночастиц кварца в водной дисперсии по данным динамического светорассеяния составляет 158,7 ± 89,8 нм. Это совпадает с размером частиц в пленках конденсата дисперсии, полученным методом сканирующей электронной микроскопии. Сравнение наноразмерного кварца шунгитовых пород с образцами традиционного кварцевого сырья методом комбинационного рассеяния света показало, что его отличительной особенностью является присутствие в образцах фазы графеноподобного углерода и воды. Практическая значимость. Полученные и исследованные в работе наночастицы кварца шунгитов — нового нетрадиционного источника кварцевого сырья, найдут применение в нанотехнологическом материаловедении для оптики, электроники, производства композиционных материалов и биомедицины.
жильный кварц шунгитовых пород, рентгеноструктурный анализ, спектроскопия комбинационного рассеяния, динамическое светорассеяние, сканирующая электронная микроскопия
Благодарность:экспериментальные исследования наноразмерного кварца выполнены в рамках государственных проектов КарНЦ РАН FWME-0222-2019-0065 и FMEN-2022-0006 (Г.АС.). Изучение водных дисперсий наночастиц кварца проводилось при финансовой поддержке РФФИ (20-53-04013) и УМНИК (№ 16796ГУ/2021)
Коды OCIS: 040.7480, 160.4236, 160.6030, 170.5660, 170.5810, 310.6860, 310.6870, 350.4990
Список источников:1. Дышекова А.Х., Кармоков А.М. Структурные изменения при полиморфных a-b фазовых переходах в кварце // Изв. Кабардино-Балкарского научного центра РАН. 2017. № 5. С. 9–13.
Dyshekova A.H., Karmokov A.M. Structural changes in polymorphic a-b phase transitions in quartz [in Russian] // Izvestiya Kabardino-Balkarian Scientific Center of the RAS. 2017. № 5. P. 9–13.
2. Wright A.C. Defect-free vitreous networks: The idealised structure of SiO2 and related glasses // Defects in SiO2 and related dielectrics: Science and technology / NATO Science Series. 2000. V. 2. P. 1–35. https://doi.org/10.1007/978-94-010-0944-7_1
3. Vlasova K.V., Konovalov A.N., Makarov A.I., et al. Synthetic crystalline quartz as an optical material for power optics // Radiophys. and Quantum Electron. 2019. V. 62. № 6. P. 439–446. https://doi.org/10.1007/s11141-019-09989-4
4. Sampaolo A., Menduni G., Patimisco P., et al. Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy for hydrocarbon trace gas detection and petroleum exploration // Fuel. 2020. V. 277. Р. 118118. http://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.118118
5. Mao N., Tang Y., Jin M., et al. Nonlinear wavefront engineering with metasurface decorated quartz crystal // Nanophotonics. 2022. V. 11. № 4. P. 797–803. https://doi.org/10.1515/nanoph-2021-0464
6. Naftaly M., Gregory A. Terahertz and microwave optical properties of single-crystal quartz and vitreous silica and the behavior of the boson peak // Appl. Sci. 2021. V. 11. Р. 6733. https://doi.org/10.3390/app11156733
7. Sergeev V.P., Ovchinnikov S.V., Kalashnikov M.P., et al. The optical and mechanical properties of quartz glass with nanocomposite coatings based on Al-Si-N and In-Sn-O // AIP Conf. Proc. 2022. https://doi.org/10.1063/5.0085024
8. Xiang B., Zhang R., Luo Y., et al. 3D porous polymer film with designed pore architecture and auto-deposited SiO2 for highly efficient passive radiative cooling // Nano Energy. 2021. V. 81. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020. 105600
9. Peng H.-Y., Wei Y.-A., Hsu Y.-C., et al. Complex optical properties of polymeric composite materials mixed with quartz powder and investigated by THz time-domain spectroscopy // Opt. Mater. Exp. 2022. V. 12. № 1. P. 22–23. https://doi.org/10.1364/OME.442626
10. Xie A., Wu Y., Liu Y., et al. Robust antifouling NH2-MIL-88B coated quartz fibrous membrane for efficient gravity-driven oil-water emulsion separation // J. Membrane Sci. 2022. V. 644. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2021.120093
11. Patimisco P., Scamarcio G., Tittel F.K., et al. Quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy: A review // Sensors. 2014. V. 14. № 4. P. 6165–6206. https://doi.org/10.3390/s140406165
12. Sgobba F., Sampaolo A., Patimisco P., et al. Compact and portable quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy sensor for carbon monoxide environmental monitoring in urban areas // Photoacoustics. 2022. V. 25. № 10. https://doi.org/10.1016/j.pacs.2021.100318.
13. Bertone J.F., Cizeron J., Wahi R.K., et al. Hydrothermal synthesis of quartz nanocrystals // Nano Lett. 2003. V. 3. № 5. P. 655–659. https://doi.org/10.1021/NL025854R
14. Zhu Y., Yanagisawa K., Onda A., et al. The preparation of nano-crystallized cristobalite under hydrothermal conditions // J. Mater. Sci. 2005. V. 4. P. 3829–3831. https://doi.org/10.1007/s10853-005-2551-1
15. Feng P., Jia J., Peng S., et al. Transcrystalline growth of PLLA on carbon fiber grafted with nano-SiO2 towards boosting interfacial bonding in bone scaffold // Biomat. Res. 2022. V. 26. https://doi.org/10.1186/s40824-021-00248-0
16. Каманина Н.В., Лихоманова С.В., Рожкова Н.Н. Поляризационные плёнки для видимого диапазона спектра с наноструктурированной поверхностью на основе наночастиц кварца // Патент РФ № 2697413. Бюл. 2019. № 23.
Kamanina N.V., Likhomanova S.V., Rozhkova N.N. Polarizing films for the visible range of the spectrum with a nanostructured surface based on quartz nanoparticles // RF Patent № 2697413. Bull. 2019. № 23.
17. Рожкова Н.Н., Ригаева Ю.Л., Рожков С.С., et al. Наноразмерный кварц и способ его получения // Патент РФ № 2778691. Бюл. 2022. № 24.
Rozhkova N.N., Rogacheva Yu.L., Rozhkov S.S., et al. Nanoscale quartz and its production method // RF Patent № 2778691. Bull. 2022. № 24.
18. Rozhkov S.P., Goryunov A.S., Kolodey V.A., et al. The role of water hydrogen bonds in the formation of associates and condensates in dispersions of serum albumin with shungite carbon and quartz nanoparticles // Coatings. 2023. V. 13. № 2. P. 471. https://doi.org/10.3390/coatings13020471
19. Мустафакулов А.А., Ахмаджонова У.Т., Жураев Н.М. и др. Свойства синтетических кристаллов кварца // Физико-техническое образование. 2021. Т. 3. № 3. С. 9–16.
Mustafakulov A.A., Akhmadzhonova U.T., Zhuraev N.M., et al. Properties of synthetic quartz crystals [in Russian] // Physico-technical Education. 2021. V. 3. № 3. P. 9–16.
20. Фирсова С.О., Шатский Г.В. Брекчии в шунгитовых породах Карелии и особенности их генезиса // ДАН СССР. 1988. Т. 302. С. 177–180.
Firsova S.O., Shatsky G.V. Breccias in shungite rocks of Karelia and features of their genesis [in Russian] // Reports of the Academy of Sciences of the USSR. 1988. V. 302. P. 177–180.
21. Купряков С.В. Геология и генезис шунгитовых пород Зажогинского месторождения // Органическое вещество шунгитоносных пород Карелии (генезис, эволюция, методы изучения) / Под ред. Филиппова М.М., Голубева А.И., Медведева П.В. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 1994. С. 93–98.
Kupryakov S.V. Geology and genesis of shungite rocks of the Zazhoginsky deposit // Organic matter of shungite-bearing rocks of Karelia (genesis, evolution, methods of study) / ed. by Filippov M.M., Golubev A.I., Medvedev P.V. Petrozavodsk: Karelian Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, 1994. P. 93–98.
22. Рычанчик Д.В., Ромашкин А.Е. Особенности внутреннего строения Максовской залежи шунгитовых пород // Углеродсодержащие формации в геологической истории / Тр. Междунар. симп. Петрозаводск, 2000. С. 73–80.
Rychanchik D.V., Romashkin A.E. Features of the internal structure of the Maksovskaya deposit of shungite rocks [in Russian] // Carbonaceous Formations in Geological History / Proc. Internat. Symp. Petrozavodsk, 2000. P. 73–80.
23. Садовничий Р.В., Рожкова Н.Н. Минеральные ассоциации высокоуглеродистых шунгитовых пород Максовской залежи (Онежская структура) // Тр. Карельского НЦ РАН. Сер. Геология докембрия. 2014. № 1. С. 148–158.
Sadovnichy R.V., Rozhkova N.N. Mineral associations of high-carbon shungite rocks of the Maksovskaya deposit (Onega structure) [in Russian] // Proc. Karelian Scientific Center of the RAS. Precambrian Geology Series. 2014. № 1. P. 148–158.
24. Садовничий Р.В. Минералого-технологические особенности шунгитовых пород максовского месторождения (зажогинское рудное поле) // Дисс. канд. геол.-минерал. наук. Петрозаводск: Институт геологии Карельского НЦ РАН, 2016. 145 с.
Sadovnichy R.V. Mineralogical and technological features of shungite rocks of the Maksovsky deposit (zazhoginskoye ore field) [in Russian] // PhD (Geology, Mineralogy) thesis. Petrozavodsk: Institute of Geology of the Karelian Scientific Center of the RAS. 2016. 145 p.
25. Садовничий Р.В., Михайлина А.А., Рожкова Н.Н. и др. Морфологические и структурные особенности кварца шунгитовых пород Максовской залежи // Тр. КарНЦ РАН. Геология докембрия. 2016. Т. 73. № 2. С. 73–88. https://doi.org/10.17076/geo126
Sadovnichy R.V., Mikhailina A.A., Rozhkova N.N., et al. Morphological and structural features of quartz of shungite rocks of the Maksovskaya deposit [in Russian] // Proc. KarSC RAS. Precambrian Geology. 2016. V. 73. № 2. P. 73–88. https://doi.org/10.17076/geo126
26. Кузнецов С.К., Лютоев В.П., Шанина С.Н. и др. Особенности качества жильного кварца уральских месторождений // Изв. Коми НЦ УрО РАН. 2011. Т. 4. № 4. С. 65–72.
Kuznetsov S.K., Lyutoev V.P., Shanina S.N., et al. Quality features of vein quartz of Ural deposits [in Russian] // Proc. Komi Scientific Center of the Ural Branch of the RAS. 2011. V. 4. № 4. P. 65–72.
27. Костылев Ю.С. Наименования объектов хрусталеносных месторождений Приполярного и Южного Урала в сопоставительном аспекте // Вопросы ономастики. 2021. Т. 18. № 3. С. 225–237. https://doi.org/10.15826/vopr_onom.2021.18.3.041
Kostylev Yu. S. Names of objects of crystal-bearing deposits of the Circumpolar and Southern Urals in a comparative aspect [in Russian] // Questions of Onomastics. 2021. V. 18. № 3. P. 225–237. https://doi.org/10.15826/vopr_onom.2021.18.3.041
28. Котова Е.Н. Радиоспектроскопия жильного кварца и горного хрусталя Приполярного Урала // Вест. Института геологии Коми НЦ УрО РАН. 2006. № 1. С. 9–12.
Kotova E.N. Radio spectroscopy of vein quartz and rock crystal of the Circumpolar Urals [in Russian] // Bulletin of the Institute of Geology of the Komi Scientific Center of the Ural Branch of the RAS. 2006. № 1. P. 9–12.
29. Алешина Л.А., Шиврин О.Н. Рентгенография кристаллов. Петрозаводск: ПетрГУ, 2004. 320 с.
Alyoshina L.A., Shivrin O.N. X-ray crystals [in Russian]. Petrozavodsk: PetrSU Publ., 2004. 320 p.
30. Klug H.P., Alexander H.P. X-ray diffraction procedures, for poly crystalline and amorphous materials. N.Y.: John Wiley & Sons, 1954. 746 p.
31. Nikitin A.N., Markova G.V., Balagurov A.M., et al. Investigation of the structure and properties of quartz in the a-b transition range by neutron diffraction and mechanical spectroscopy // Crystallogr. Reports. 2007. V. 52. P. 428–435. https://doi.org/10.1134/S1063774507030145
32. Rigaeva Y.L., Rozhkova N.N., Kovalchuk A.А., et al. X-ray studies of vein quartz from shungite rocks // Key Eng. Mat. 2020. V. 854. P. 200–206. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.854.2000
33. Characterizing Carbon Nanomaterials with a Raman Analyzer. B&W Tek. AZoM [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=14826, свободный яз. англ. (дата обращения 14.02.2023).