Химия, физика и биология наносостояния

Проведенные исследования обеспечили разработку новых подходов к конструированию материалов, синтезу новых материалов и созданию новых процессов синтеза. К ним относятся определение симметрии и топологического кода процессов самосборки кристаллических структур двойных интерметаллидов из нанокластеровпрекурсоров; разработка нового поколения броневых материалов на основе алмазных порошков с высочайшим комплексом механических свойств; синтез высокотемпературных композитов алмаз-карбид Ме (Ме-Hf, Nb, Ta,); синтез алюмосиликатных наноструктур заданного состава и морфологии; компьютерное моделирование акустических свойств конструкций с геометрией трижды периодических поверхностей минимальной энергии (ТППМЭ); технология 3D печати керамических материалов сложной топологии; разработка способа получения первичных носителей катализаторов в форме блоков-сот с помощью аддитивных технологий; разработка СВЧ технологий синтеза неорганических конструкционных и функциональных материалов с улучшенными свойствами; изучение влияния электронно-лучевой и термической обработки кремнеземсодержащих заполнителей минеральных добавок на интенсивность протекания щелочно-силикатных реакций с их участием, представляющих опасность для бетонных конструкций; метод поиска материалов на основе высокопроизводительных расчетов. Работы по формированию и моделированию структуры вещества основаны на представлениях о трижды периодических поверхностях минимальной энергии. Известно, что большое количество структур можно описать очень ограниченным количеством минимальных поверхностей, существует определенная связь между симметрией поверхностей, пространственными группами и структурами. Проводились исследования в области моделирования процессов самоорганизации систем (атомов в кристаллической структуре) на супраполиэдрическом уровне и геометрического и топологического анализа кристаллических структур. С помощью пакета программ ToposPro осуществлялся геометрический и топологический анализ кристаллической структуры значительного количества веществ, в том числе различных модификаций льда. Это позволяет реконструировать симметрийный и топологический код процессов самосборки 3D структур из нанокластеров-прекурсоров (формирование решеток) в виде: первичная цепь -> микрослой -> микрокаркас. Также проводилась разработка теории кристаллизации различных модификаций льда с использованием клеточных автоматов. Осуществлен геометрический и топологический анализ кристаллической структуры Pd112Co204Al684-cP1000 с пр. гр. Pa-3, a = 24.433 Å, V = 14587.24 Å3. Рассмотрена самосборка кристаллической структуры из новых трехслойных K155(4a) =Al@Al6Pd8)@Pd12Al30@Pd8Co18Al72 и двухслойных кластеров-прекурсоров K55(4b) = Co@Al12@Co12Al30 с симметрией g = –3. Разработан новый броневой композиционный материал алмаз-карбид кремния с повышенными механическими характеристиками, по сравнению со свойствами стандартных броневых материалов. Проведены испытания разработанных на основ этого материала бронепанелей в АО «ЦНИИТочмаш». Проведённые испытания показали, что бронепанели имеют повышенную стойкость против пулевого воздействия по классу защиты Бр.5. Синтезированы композиты алмаз-карбид Ме (Ме-Hf, Nb, Ta,); изучена высокотемпературная стойкость композитов алмаз-SiC (алмаз-МеС) с добавками переходных металлов; определен фазовый состав и микроструктура, построены дифрактограммы синтезированных образцов; изучены физико-механические свойства (плотность, пористость, модуль упругости, коэффициент трещиностойкости, микротвердость) синтезированных материалов. Проводился синтез алюмосиликатных наноструктур заданного состава и морфологии и разработка новых функциональных материалов на их основе. В гидротермальных условиях синтезированы и исследованы алюмосиликаты подгруппы каолинита с различной морфологией частиц. Впервые установлена зависимость токсичности, биологической активности и сорбционной способности неорганических частиц от их морфологии на примере алюмосиликатных частиц различной формы (пластинчатой, нанотрубчатой, сферической, наногубчатой). Исследованы физико-химические свойства, пористо-текстурные характеристики и сорбционные свойства ряда синтетических алюмосиликатов и их природных аналогов. Определены перспективные направления их применения для решения задач медицины и экологии, в частности – для разработки энтеро- и гемосорбентов, носителей лекарственных препаратов, в том числе литий содержащих. Проведены исследования физико-химических, пористо-текстурных, сорбционных характеристик, а также биологической активности синтетических цеолитов со структурами Beta, Rho, Pau и Y. Определена сорбционная способность цеолитов в отношении окситоцина, лизоцима и альбумина, которые выступают как маркеры низко- и среднемолекулярных патологических белковых соединений. Проведено исследование влияния цеолитов в различных концентрациях от 2.5 до 10 мг/мл на жизнеспособность эндотелиальных клеток человека линии EA.hy 926 с помощью МТТ-теста, а также исследована гемолитическая активность цеолитов. Получен магнитный цеолит Beta в гидротермальных условиях путем допирования алюмосиликатного геля наночастицами магнетита. Проведена оценки прочности закрепления наночастиц Fe3O4 в композите, синтезированном в гидротермальных условиях, по сравнению с образцами, полученными методом соосаждения. Исследована эффективность процессов адсорбции и десорбции противоопухолевого лекарственного препарата 5-фторурацила на образцах цеолита Beta и магнитного нанокомпозита BetaFe3O4. Кинетика высвобождения 5-фторурацила из композита описана с использованием модели Хигучи. Охарактеризованы физико-химические свойства исследуемых образцов. Для обеспечения безопасного использования материалов в качестве носителей лекарственных веществ была изучена гемолитическая активность исходного цеолита Beta и магнитного композита на его основе по отношению к клеткам крови человека и способность к биодеградации в синтетической биологической среде. В условиях направленного гидротермального синтеза могут быть получены слоистые силикаты со структурой монтмориллонита с заданными характеристиками. Изучено влияние способа получения монтмориллонитов двух составов (Mg3Si4O10(OH)2H2O и Na1,5Al0,5Mg1,5Si4O10(OH)2.H2O) на их сорбционные свойства, влагопоглощение, пористо-текстурные характеристики и свойства поверхности. В качестве переменных параметров синтеза были выбраны природа исходных реагентов, pH реакционной среды и температура синтеза. Установлено, что условия синтеза существенно влияют на свойства монтмориллонита, что, в свою очередь, определяет возможности использования полученных материалов в конкретных областях. Производилась оценка звукопоглощающей способности материалов с геометрией ТППМЭ с использованием гибридного метода, состоящего из численного и геометрического определения акустических параметров репрезентативного элементарного объема, и параметрического исследования коэффициента звукопоглощения материала конечного размера. Были разработаны модели однородных элементарных ячеек с топологией Primitive, Diamond, FRD и Gyroid разной пористости и определены их акустические параметры. С использованием полуфеноменологической модели ДжонсонаШампу-Алларда была оценена звукопоглощающая способность материалов с данной геометрией. Для получения керамических изделий сложной формы с использованием аддитивных технологий разработан экструдер для печати керамикой состоящий из компрессора, который подаёт разогретый до температуры 80°С материал из резервуара в экструдер модифицированного FDM 3D-принтера. В качестве материалов для 3D-печати используются разработанные керамические пасты, состоящие из смеси порошков корунда с парафином. Полученные после печати изделия по своим свойствам ничем существенно не отличаются от заготовок, получаемых традиционными методами шликерного литья. Разработана методика изготовления керамических изделий сложной формы, позволяющая получать изделия различной формы, которые найдут широкое применение в промышленности, например, крыльчатки, элементы подшипников, сопла, теплозащитные материалы, защитные материалы, в том числе бронеэлементы. Разработан способ получения первичных носителей катализаторов в форме блоков-сот с помощью аддитивных технологий. Разработан состав формовочного шликера и оптимизированы его реологические свойства. Получены блочные катализаторы на основе первичных носителей, сформированных методом 3D печати. Показано, что такие изделия имеют высокую производительность в процессе каталитического окисления СО кислородом воздуха и существует возможность ее дальнейшего увеличения за счет формирования каналов сложных геометрических форм, позволяющих интенсифицировать процессы тепло- и массообмена. Разработана СВЧ технологии синтеза неорганических конструкционных и функциональных материалов с повышенными свойствами, по сравнению с традиционным спеканием, требующая сравнительно низкие температуру и время. По свойствам полученные материалы превосходят материалам, синтезированным в муфельной печи. Разработана технология синтеза люминесцентных силикатных порошков, активированных европием, для светотехники, фотоники и дисплейных технологий. Совместно с лабораторией физико-химического конструирования и синтеза функциональных материалов ИХС РАН получены керамические композиты 0.5LaPO4–0.5ZrO2 и 0.5LaPO4– 0.5Y2O3 путем микроволнового спекания с высокими механическими свойствами. Изучено влияние электронно-лучевой и термической обработки (ТО) кремнеземсодержащих заполнителей минеральных добавок на интенсивность протекания щелочно-силикатных реакций с их участием, представляющих опасность для бетонных конструкций. Установлено, что нагрев до температуры 900°С и электронно-лучевая обработка песка, не содержащего включений, реакционноспособных по отношению к щелочным компонентам, приводят к значительному увеличению реакционной способности цементно-песчаных растворных смесей, возрастающей с увеличением поглощенной дозы, и соответствующему повышению содержания кислотных гидроксильных групп на поверхности песка. В случае песка, содержащего реакционноспособные включения халцедона, электронно-лучевая обработка приводит к росту реакционной способности, а термическая – к ее снижению. Обработка минеральных добавок микрокремнезема и метакаолина, способных к ингибированию щелочносиликатных реакций, приводит к усилению их ингибирующего действия. Полученные результаты перспективны для моделирования процессов расширения бетонов в результате щелочно-силикатных реакций и повышения их стойкости к разрушению в щелочных средах. Методом ab initio и кинетического метода Монте-Карло исследованы удельные характеристики, процесс роста, морфология и габитус кристаллов NiF3, рассматриваемых в качестве катодов Mg-ионных батарей. По результатам моделирования определено, что равновесное значение пересыщения составило 2.1 ккал/моль, на гранях наблюдаются большое количество ступенек, которые зарастают, образуя плоские грани. Форма кристалла представляет собой результат кинетического процесса роста и/или растворения. По результатам исследования в 2022 – 2023 г. опубликовано 28 статей в рецензируемых изданиях, 9 из них – в журналах Q1-Q2, получены 3 патента на изобретение, защищены 2 диссертации на соискание учёной степени к.х.н и к.т.н.