Проекты

Наночастицы берлинской лазури – красивый пигмент и «умный» катализатор

Работа победителя открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» в секции «Нанотехнологии» среди работ учащихся 7–9 классов

Направление работы: Нанотехнология
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1575
Предметы: Физика, Биология, Химия
Классы: 7 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» 2020 года

Актуальность

Раньше берлинская лазурь использовалась как пигмент в живописи. Сейчас наночастицы берлинской лазури используются в качестве фильтра для очистки воды от радиоактивного цезия. А недавние открытия учёных МГУ показали, что эти наночастицы могут быть использованы в качестве нанозимов (аналогов биологических катализаторов – энзимов (ферментов)).

Цели

Получение наночастиц берлинской лазури и исследование их свойств

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Спектрометр PASCO
  • Весы электронные
  • Лазеры синий, зелёный и красный
  • Лабораторная посуда

Описание

Берлинская лазурь – это синий пигмент, смесь гексацианоферратов.

Во время первого эксперимента автор получил золь берлинской лазури при синтезе растворов гексацианоферрата калия и хлорида железа. Пропущенный сквозь раствор луч лазера дал конус, что говорило о том, что полученный раствор – золь.

Во время второго эксперимента был выделен синий пигмент. Сначала раствор профильтровали, потом высушили и частицы пигмента собрали шпателем.

Пигмент смешали с водой, добавив немного лимонной кислоты.

Нарисовали картину к романсу «Ночь светла». Отметили свойства синего пигмента: хорошо и очень быстро впитывается, покрывает поверхность как акварельная краска. Выявили отличия: тяжело размывается, можно сделать и бледный и насыщенный цвета.

Во время третьего эксперимента авторы методом седиментации определили размер частиц берлинской лазури. Налили в стакан чистую воду, взболтали частицы и вылили в стакан, дождались полного оседания частиц, вычислили размер по формуле Стокса. Получился размер наночастиц 200 нм. Чтобы получить частицы меньшего размера, надо добавить больше лимонной кислоты при растворении пигмента в воде или изменить концентрационные условия получения гидрозоля.

Во время четвёртого эксперимента автор определил спектр поглощения раствора берлинской лазури. Раствор поглощал в фиолетовом, жёлтом, оранжевом и красном участках видимого спектра, и пропускал голубые лучи – спектр соответствует спектру наночастиц берлинской лазури, максимум поглощения соответствует длине волны 650–700 нанометров (красный цвет).

Во время пятого эксперимента автор в процессе синтеза растворов гексацианоферрата калия, солей никеля и солей кобальта получил цветовую гамму золей, что можно использовать в печати. Также опустили белую хлопчатобумажную ткань в стаканы с этими растворами и нанесли наночастицы на ткань, что явилось прототипом фильтра на основе наночастиц.

Во время шестого эксперимента автор исследовал кинетику расщепления перекиси водорода под воздействием природного фермента и при участии наночастиц берлинской лазури.

Методика основана на законе сохранения массы вещества. Измерили исходную массу веществ. Записывали конечную массу веществ. Разница масс – это выделившийся кислород.

Взяли три стакана со 100 г 3 %-й перекиси водорода. Один оставили просто с перекисью для свободного разложения, чтобы уточнить количество испарившейся воды. Во второй добавили 2 г корня имбиря, корень имбиря содержит пероксидазу – природный фермент. В третий стакан добавили 2 г берлинской лазури. Измеряли массу оставшегося вещества с течением времени. Масса равномерно уменьшалась на 0,1 г в час. Потеря воды и саморазложение перекиси водорода в процессе испарения, как полагает автор, были одинаковыми во всех используемых случаях. За сутки в первом стакане масса осталось на 2 г меньше, во втором и третьем – масса уменьшилась на 3 г, что соответствует окончанию реакции (2 г за счёт испарения воды, 1 г за счёт разложения и выделения кислорода).

Исследование показало, что наночастицы могут быть успешно использованы так же, как и фермент пероксидаза.

Результаты работы/выводы

1. Получен золь наночастиц берлинской лазури

2. Выделен красящий пигмент, выполнен рисунок, выделены свойства пигмента: устойчивость, насыщенность цвета

3. Методом седиментации определён размер наночастиц, он составил 200 нм

4. С помощью спектрофотометра определён спектр поглощения

5. Получена разнообразная цветовая гамма гексацианоферратов, которую можно применять для струйной печати при использовании альтернативных катионов вместо железа (III)

6. Частицы нанесены на хлопчатобумажную ткань, что имитирует методику приготовления фильтров

7. Исследована кинетика разложения перекиси водорода. Разложение перекиси водорода при использовании наночастиц берлинской лазури идёт интенсивнее, чем при использовании корня имбиря (фермент пероксидаза), что позволит применять наночастицы берлинской лазури в медицине

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

МГУ им. М. В. Ломоносова, Факультет наук о материалах

Награды/достижения

  1. Конкурс «Гениальные мысли» – победитель
  2. Фотоконкурс в области технопредпринимательства и проектной деятельности школьников – призёр
  3. Научно-практическая конференция для школьников «Неорганическая химия и материаловедение: поколение NEXT» – обладатель поощрительного диплома