Отчет о научно-исследовательской работе «Химия, физика и биология наносостояния»

На основе идей академика В.Я. Шевченко о фундаментальных принципах формирования наноструктур проведена разработка информационно-аналитической системы, содержащей данные о кристаллическом и молекулярном строении различных неорганических, органических и координационных соединений, а также о составе и строении наноразмерных кластерных частиц, включающей программные средства для эвристического анализа и моделирования физических свойств веществ и позволяющей проводить поиск структурного родства на разных уровнях организации кристалла. Разработаны: алгоритмы комбинаторно-топологического анализа, позволяющие восстановить по известным структурным данным симметрийный и топологический коды матричной, конвергентной самосборки гибридных структур из металлокластеров и металлоксидных кластеров; микроскопическая теория кристаллообразования микропористых веществ, имеющих цеолитоподобную структуру. Получен список гипотетических цеолитных каркасов, наиболее перспективных для синтеза. Систематизированы структурные данные по составу и строению интерметаллических соединений, силикатов и алюмосиликатов (включая цеолиты). Развиты принципы алгоритмической кристаллохимии с использованием трехцветных клеточных автоматов. Определены принципы компрессии информации в неупорядоченных структурах (на примере льда). Развита теория сложности кристаллического вещества, проведено ее обобщение на широкий класс неорганических соединений. Разработаны теоретико-информационные характеристики (количество информации на атом и ячейку, плотность информации), и проведен их расчет для известных на сегодняшний день неорганических структур (более 150 000). Рассмотрена эволюции информации в процессе преобразований кристаллического вещества. Приведена классификация фазовых переходов с точки зрения направления изменения количества структурной информации, и выявлены основные тренды эволюции кристаллического вещества при изменении термодинамических параметров среды. Разработаны физико-химические основы получения новых композиционных материалов на основе пористых алюмосиликатов с каркасной и слоистой морфологией для решения задач медицины, экологии и катализа. Получены биологически активные материалы на основе цеолитов и слоистых силикатов. Исследован процесс гидротермальной кристаллизации слоистых гидросиликатов магния трубчатой морфологии. Исследованы их сорбционные свойства. Изучена возможность применения гидросиликатных наночастиц в качестве сорбента для очистки воды от соединений тяжелых металлов. Изучены процессы кристаллизации в системах Me₂O – Me₂O₃ – TiO₂, где Me = Li, Na, K; Me = Co, Cr, Fe в различных условиях. Разработаны физико-химические основы синтеза новых функциональных материалов на основе титанатов щелочных металлов. Осуществлен синтез нанопорошков в системе LaPO₄–HoPO₄–H₂O, изучены физико-химические свойства образцов, и получена плотная и огнеупорная керамика, исследованы ее физико-механические свойства. Исследованы процессы электрохимического синтеза формирования нанослоев металлов (Сe, Pr, Ne), их твердых растворов и интерметаллидов (NixLiy, NixNay), процессы фазообразования и кристаллохимии в системах Na₂ZnP₂O₇–LiKZnP₂O₇ и LiNaZnP₂O₇–LiKZnP₂O₇. Осуществлено прогнозирование путей улучшения характеристик катодных материалов на основе силикатов лития-железа и других с использованием нового комбинированного метода, включающего методы функционала электронной плотности и кристаллохимического анализа (программный пакет TOPOS). Методами анодного окисления металлов, электроосаждения, электрофореза исследованы возможности получения наноразмерных материалов в системах на основе Ni (его сплавов), Mo и W. С использованием современных эффективных программных пакетов SIESTA, в том числе масштабируемых алгоритмов O(N) и информации с проекта Materials Project выполнялось предсказательное моделирование и поиск Li-, Na-содержащих твердых электролитов для твердоэлектролитных газовых сенсоров, суперконденсаторов и Li батарей с удельной энергией и мощностью, многократно превышающими традиционные.