Ученые из ФИАНа*, Сколтеха и МФТИ под руководством профессора Сколтеха и МФТИ Артема Оганова и главного научного сотрудника ФИАН Юрия Успенского обнаружили необычные свойства наночастиц оксида кремния. Они показали, что наночастицы оксида кремния в обычных условиях существуют в обогащенной кислородом форме. Такие наночастицы проявляют магнитные свойства и несут активные формы кислорода (в частности, пероксид-, озонид-ионы и оксо-радикалы). Это может объяснять их известную высокую токсичность и канцерогенность.

Наночастицы кремния перспективны для использования в различных областях, таких как наноэлектроника, оптоэлектроника, производство солнечных батарей, биосенсоров, поэтому они активно изучаются в последние десятилетия. Наночастицы кремния подвергаются окислению в кислородной атмосфере — но детали этого процесса неясны. Хорошо известно, что тонкая пыль диоксида кремния оказывает негативное влияние на организм человека, вызывая силикоз и рак легких, но природа этого эффекта неизвестна.

В своем исследовании ученые из групп Артема Оганова и Юрия Успенского с помощью эволюционного алгоритма USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) показали, что в атмосферных условиях наночастицы оксида кремния существуют не в форме SiO2, постулируемой классической химией, а в обогащенной кислородом форме, например, Si7O19. Присоединенные лишние атомы кислорода проявляют магнитные свойства и образуют активные формы кислорода. Активные формы кислорода, в частности пероксид-ион, очень активны по отношению к важнейшим биомолекулам и давно называются как важная причина онкологических заболеваний. «Мы были немало удивлены тому, что при обычных условиях, в атмосфере кислорода устойчивыми оказываются наночастицы не привычного всем состава SiO2, а совершенно другие, химически активные и магнитные наночастицы», — говорит Сергей Лепешкин, первый автор этого исследования, возможно, открывающего путь к пониманию природы канцерогенной активности пыли кремнезема.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nanoscale.

*Физического института имени П. Н. Лебедева РАН