Отчет о научно-исследовательской работе «Физико-химия и технология силикатных пористых стекол и многофункциональных композиционных материалов на их основе»

Объекты. Натриевоборосиликатные (НБС) стекла, в том числе, легированные K2O, Fe2O3, P2O5, фторид-ионами; силикатные пористые стекла (ПС); композиционные материалы (КМ), допированные люминесцентными фазами, наночастицами металлов, гетерополисоединениями. Методы. Комплекс стандартных аналитических, физико-химических и структурно-физических методик. Цель работы. Создание новых нанопористых высококремнеземных мембран и новых функциональных композиционных материалов для микроэлектроники, интегральной оптики, фотоники, сенсорики, медицины. Основные результаты. Исследованы процессы фазового разделения и кристаллизации стекол системы Na2O-B2O3-SiO2-Fe2O3 (разрез 70 мол. % SiO2, ≤ 12 мол. % Fe2O3 и Na2O), а также их характеристики (структура, электронное строение железа в стеклах, химическая устойчивость, диэлектрические свойства). Установлено, что координация ионов Fe3+ по кислороду зависит от содержания Na2O в стекле. Обнаружено (совместно с Вроцлавским университетом науки и технологии, Польша (ВУНТ)) два независимых процесса проводимости в зависимости от температуры. Синтезированы новые висмутсодержащие КМ путем пропитки матриц из пористых стекол (ПС) с разными размерами пор, обусловленными присутствием либо отсутствием вторичного кремнезема в поровом пространстве, в водных растворах Bi(NO3)3 и последующего их спекания на воздухе при (650–870) °С. Спектрально-оптические исследования КМ в диапазоне (11000 – 4000) см-1 выявили полосы, отвечающие поглощению димеров висмута и висмутовых активных центров (ВАЦ), связанных с кремнием, а в диапазоне (190-1100 нм) - полосы, характерные для ВАЦ в разной степени окисления. Определены структурные параметры ПС матриц (совместно с СПбГУ). Установлено влияние среднего диаметра пор (от 3 до 25 нм) матриц и длительности пропитки на относительное содержание висмута в синтезированных ВКМ. Подтверждено формирование микрокристаллической фазы Bi2O3 в результате термолиза Bi(NO3)3 при спекании ВКМ. Исследовано химическое строение КМ, полученных путем введения в поровое пространство ПС матриц (диаметр пор ~12 нм) AgNO3 (в присутствии или без Er(NO3)3) и галогенидов (KBr, KI) из водно-солевых растворов, в зависимости от состава пропитывающих растворов и температуры тепловой обработки КМ в интервале 120–750 °С. Выявлены полосы поглощения, характерные для молекулярных кластеров и наночастиц серебра, ионов эрбия. Синтезированы образцы КМ, содержащие смесь нитратов серебра и калия. Установлено (совместно с ВУНТ) влияние соотношения солей на температуру сегнетоэлектрического фазового перехода (ФП) нанокристаллов KNO3 и AgNO3. Показано, что наблюдаемые аномалии ФП обусловлены влиянием размерного эффекта в сегнетоэлектрике в условиях ограниченной геометрии. Начато исследование явления динамического кроссовера в гидратированных пористых стеклах (совместно с Центром электромагнитных исследований и характеристик Иерусалимского университета, Израиль): изучено влияние влажности на изменение площади удельной поверхности пор и массы образцов ПС. Подтверждена возможность использования силикатных ПС (средний размер пор 25 нм, объемная пористость ~ 0.5) для создания нового типа ионоселективных композитных мембран типа Glass/Au, сочетающих в себе преимущества пористых сред и перспективные селективные свойства (совместно с СПбГУ). Впервые проведено исследование токсичности ПС по отношению к Paramecium caudatum (инфузория туфелька) (совместно с СПбГЭТУ «ЛЭТИ»). Выявлено изменение индекса токсичности в зависимости от концентрации и времени контакта тонкодисперсного порошка ПС с водой и установлено, что для всех изученных водных суспензий ПС значение Т находится ниже уровня умеренной токсичности. Подана заявка на патент РФ на изобретение «Способ получения биоактивной мембраны фильтра осмотического действия для водоподготовки» (совместная заявка ИХС РАН и СПбГЭТУ «ЛЭТИ»).