Химия, физика и биология наносостояния

Отчет содержит 240 страниц, 106 рисунков, 31 таблицу и 3 Приложения. КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: фундаментальные конфигурации, топологический анализ, кластеры, интерметаллиды, гидротермальный синтез, алюмосиликаты, цеолиты, нанотрубки, твердофазовый синтез, титанаты щелочных металлов, сорбция, фотокатализ, биологическая активность, калий-титанатные нанотрубки, висмутаты, допирование, композиционные материалы, висмутаты, ионные проводники со смешанной электропроводностью, ионные проводники фосфаты лантаноидов. Цель работы состояла в проведении фундаментальных и фундаментально-прикладных исследований, направленных на создание научных основ химии наносостояния, расширение представлений в области структурной химии вещества, физики, химии и биологии наноматериалов, получение и исследование новых лабораторных образцов вещества с улучшенными функциональными свойствами. В ходе работ по НИР изучались фундаментальных принципов формирования вещества в наносостоянии, разрабатывались представления о структурной химии вещества, а также исследовалось влияние природы вещества на его физико-химические свойства и биологическую активность. В результате проведенного исследования получены новые фундаментальные данные, а также разработаны новые функциональные и конструкционные материалы широкого спектра назначения. В результате работ по НИР разработана информационно-аналитическая система, содержащая информацию о кристаллическом и молекулярном строении неорганических, органических и координационных соединений, включающая программные средства, позволяющие проводить поиск структурного родства на разных уровнях организации кристаллов. С помощью компьютерных методов (пакет программ ToposPro) проведено комбинаторно-топологический анализ и моделирование самосборки кристаллической структур восьми сложных интерметаллидов. Установлены геометрические типы полиэдрических кластеров-прекурсоров, образующих эти структуры, в том числе сверхсложных трехслойных кластеров K116, K132, K136 и K142, состоящих из более ста атомов каждый. Построена модель самосборки кристаллических структур гексагонального (стабильного) и кубического (метастабильного) льда с использованием теории клеточных детерминированных и вероятностных автоматов. Реконструирован симметрийный и топологический код процессов самосборки кристаллической структуры гексагонального льда H2O- Ih (топологического аналога гексагонального тридимита SiO2) и кубического льда H2O-Iс (топологического аналога кубического кристобаллита SiO2) из нанокластеров различного иерархического уровня. Впервые в мировой практике создан композиционный материал «Идеал» для бронезащиты, прошедший испытания в соответствии с ГОСТ Р 50744-95 (класс защиты Bр6), по своим характеристикам, превосходящий существующие и используемые для их целей. Данный результат был представлен Президентом Академии наук РФ среди лучших за 2020 год на общем собрании РАН. Предложен и обоснован критерий выбора материалов для бронепреград. Определён механизм разрушения хрупких (керамических) материалов, широко используемых в конструкциях, предохраняющих от проникания. Смоделирован и разработан первый прототип экструдера для печати керамическими пастами, изготовлены керамические пасты на основе корунда и парафина. Разработана технология 3D печати бронепреград сложной топологии керамическими пастами на основе плакированного оксида алюминия и воска, смоделирован и изготовлен экструдер для печати керамическими пастами, подобран состав шликера и изготовлены пасты для печати. Изучено влияние условий синтеза на гидротермальную кристаллизацию наночастиц цеолитов со структурой Beta различных размеров (в диапазоне от 50 до 300 нм), а также цеолиты с иерархической системой пор. Исследована сорбционная способность цеолитов различных размеров по отношению к неорганическим катионам (на примере ионов свинца), органическим молекулам (на примере тиамина гидрохлорида) и модельным лекарственным препаратам, а также их биологическая активность. Проведены исследования сорбционной способности магнитовосприимчивых нанокомпозитов на основе цеолитов и наночастиц магнетита. Установлена перспективность разработанных магнитных нанокомпозитов для решения задач медицины и экологии. Получен новый класс неорганических материалов – алюмосиликатные наногубки со структурой каолинита Al2Si2O5(OH)4∙nH2O. Определены оптимальные условия синтеза и проведено сравнение характеристик алюмосиликатных частиц группы каолинита с различной морфологией - наногубчатой, сферической, пластинчатой и нанотрубчатой. Изучена их сорбционная способность и биологическая активность. Показаны перспективы использования наночастиц с губчатой и сферической морфологиями для получения инновационных функциональных материалов для решения задач медицины, экологии и катализа. Проведено исследование системы TiS3-Mg для использования устройств хранения водорода. Рассчитаны графики плотности состояний и зонная структура для TiS3, а также TiS3, интеркалированном катионами щелочных- и щелочноземельных элементов и Zn2+. В гидротермальных условияхсинтезированы волокнистые Mg, Ni и смешанные Mg,Ni-гидросиликаты со слоистой и ленточно-цепочечной структурой (наносвитки и наноленты). Установлено влияние прекурсоров металлсодержащих компонентов (гидроксиды, соли и оксиды Mg (Ni)) на морфологию получаемых частиц. Исследована сорбционная способность слоистых гидросиликатов по отношению к метиленовому голубому. Установлена сохранность структуры гидросиликатов. Полученные частицы перспективны в качестве сорбентов ионов металлов и органических соединений из жидких сред и наполнителей для полимерных материалов. Методом пиролиза цитратно-нитратных композиций была получена высокопористая керамика на основе материалов со структурой типа голландита общей формулы K2xMexTi8–xO16 (Me = Mg, Ni, Cu) (0.62≤x≤0.8). Проведенные исследования показали перспективность данных титанатов для использования в газовых сенсорах на водород. Разработан оригинальный золь-гель метод синтеза композиций, позволивший получить керамические композиционные материалы на основе фосфата лантана и циркона с высокими показателями плотности и микротвердости, химической и термической стойкости. Получены керамические матрицы основе систем LaPO4–Al2O3, LaPO4–Y2O3 и LaPO4–ZrO2, определены их митротвердость в широком интервале температур, открытая пористость и химическая стойкость (метод выщелачивания в дистиллированной воде). Разработаны новые керамические материалы на основе оксида циркония. С использованием микроволновой обработки разработан новый метод синтеза ZrO2 стабилизированного европием, иттрием, кальцием. Показано, что микроволновая обработка способствует снижению микронапряжений кристаллической решетки, росту постоянной решетки, размера ОКР, содержания кубической фазы. Синтезированные материалы могут быть также использованы для керамики, работающей в условиях экстремальных нагружений и в качестве биосовместимых материалов. Полученные при выполнении работ по НИР результаты имеют как фундаментальный, так и прикладной характер и могут быть использованы для синтеза новых цеолитов, алюмосиликатов различной морфологии, разработки новых носителей лекарственных препаратов, огнеупорной керамики, эффективных сорбентов для очистки сточных вод, материалов для применения в солнечных элементах, твердых электролитов, диэлектриков, фотокатализаторов, композиционных фрикционных и конструкционных материалов. По материалам работ по НИР опубликовано 103 статьи, 124 тезиса докладов. Защищено 2 кандидатские диссертации.