Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2022, 13 (4), 414–429
Study of the structure and bioactivity of powdered iron oxides synthesized by sol-gel method
Tamara V. Khamova – Institute of Silicate Chemistry of Russian Academy of Sciences, St. Petersburg, Russia; tamarakhamova@gmail.com
Olga A. Shilova – Institute of Silicate Chemistry of Russian Academy of Sciences, St. Petersburg, Russia; olgashilova@bk.ru
Yulia E. Gorshkova – Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Moscow Region, Russia; Yulia.Gorshkova@jinr.ru
Natalia V. Tsvigun – Institute of Crystallography Federal R&D Center “Crystallography and Photonics” of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia; n_tsvigun@mail.ru
Oleg V. Gerashchenko – Petersburg Nuclear Physics Institute named by B. P. Konstantinov of National Research Centre Kurchatov Institute, Gatchina, Leningrad Region, Russia; gerashchenko_ov@pnpi.nrcki.ru
Alexander E. Baranchikov – Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia; a.baranchikov@yandex.ru
Olga R. Udalova – Agrophysical Research Institute, St. Petersburg, Russia; udal59@inbox.ru
Anna S. Zhuravleva – Agrophysical Research Institute, St. Petersburg, Russia; zhuravlan@gmail.com
Gaiane G. Panova – Agrophysical Research Institute, St. Petersburg, Russia; gaiane@inbox.ru
Gennady P. Kopitsa – Institute of Silicate Chemistry of Russian Academy of Sciences, St. Petersburg; Petersburg Nuclear Physics Institute named by B. P. Konstantinov of National Research Centre Kurchatov Institute, Gatchina, Leningrad Region, Russia; kopitsa_gp@pnpi.nrcki.ru
Corresponding author: Tamara V. Khamova, tamarakhamova@gmail.com
DOI 10.17586/2220-8054-2022-13-4-414-429
PACS 61.10.Eq, 61.12.Ex
ABSTRACT Magnetite (Fe3O4) and maghemite with an admixture of hematite (γ-Fe2O3/α-Fe2O3) powders are synthesized via sol-gel process and characterized using XRD, SEM, low temperature nitrogen adsorption, small-angle X-ray scattering (SAXS) and small-angle polarized neutron scattering (SAPNS). The synthesized γ-Fe2O3/α-Fe2O3 and Fe3O4 samples are found to be porous systems featuring with a three-level hierarchically organized structure with different intrinsic scales and aggregation types for each of the structural levels. For both materials, the intrinsic size of the highest level exceeds 70 nm, and magnetic structure involves super-paramagnetic particles with a characteristic radius of magnetic-nuclear cross-correlations RMN ~ 3 nm. The biological activity of -γ-Fe2O3/α-Fe2O3 and Fe3O4 aqueous suspensions in certain concentrations in respect to seed treatment, growth and productivity of plants was studied using the example of spring barley variety Leningradsky under adjustable favorable conditions and physical modeling of stress effects (irradiation with high-intensity UV-B radiation, soil moisture deficiency).
KEYWORDS sol-gel synthesis, iron oxides, mesostructure, magnetic structure, seed presowing treatment.
ACKNOWLEDGEMENTS The XRD measurements were performed using the equipment of the Shared Research Center FSRC “Crystallography and Photonics” RAS and were supported by the Russian Ministry of Education and Science. The SEM measurements were performed using shared experimental facilities supported by IGIC RAS state assignment. SAPNS measurements were performed using the equipment of the Jülich Centre for Neutron Science, Forschungszentrum Jülich GmbH, Outstation at MLZ, Garching, Germany. This work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation as part of the IChS RAS state assignment (project 0081-2022-0006) and as part of the Agrophysical Research Institute state assignment No. FGEG-2022-0005.
FOR CITATION Khamova T.V., Shilova O.A., Gorshkova Yu.E., Tsvigun N.V., Gerashchenko O.V., Baranchikov A.E., Udalova O.R., Zhuravleva A.S., Panova G.G., Kopitsa G.P. Study of the structure and bioactivity of powdered iron oxides synthesized by sol-gel method. Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2022, 13 (4), 414–429.
[In Russian] Т.В. Хамова, О.А. Шилова, Ю.Е. Горшкова, Н.В. Цвигун, О.В. Геращенко, А.Е. Баранчиков, О.Р. Удалова, А.С. Журавлева, Г.Г. Панова, Г.П. Копица
Исследование структуры и биоактивных свойств порошков оксидов железа, синтезированных золь-гель методом
АННОТАЦИЯ Методом золь-гель технологии синтезированы порошки магнетита Fe3O4 и маггемита с примесью гематита (γ-Fe2O3/α-Fe2O3). Проведено комплексное исследование структуры синтезированных порошков с привлечением методов рентгенофазового анализа (РФА), растровой электронной микроскопии (РЭМ), низкотемпературной адсорбции азота, малоулового рассеяния рентгеновских лучей (МУРР) и малоуглового рассеяния поляризованных нейтронов (МУРПН). Установлено, что синтезированные оксиды железа γ-Fe2O3/α-Fe2O3 и Fe3O4 являются пористыми системами, обладающими трехуровневой иерархической организацией структуры с разным характерным масштабом и типом агрегации для каждого из структурных уровней, причем характерный размер для большего по размеру уровня в обоих случаях превышает 70 нм, а их магнитная структура состоит из суперпарамагнитных частиц с характерным радиусом магнитно-ядерных кросс-корреляций RMN ~3 нм. Исследована биологическая активность водных суспензий γ-Fe2O3/α-Fe2O3 и Fe3O4 в определенных концентрациях по реакции на обработку ими семян, росту, продуктивности растений на примере ярового ячменя сорта Ленинградский в регулируемых оптимальных условиях и при физическом моделировании стрессовых воздействий (облучение высокоинтенсивной УФ-В радиацией, дефицит почвенной влаги).
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА золь-гель синтез, оксиды железа, мезоструктура, магнитная структура, предпосевная обработка семян.
