Тема № 45.3. Создание новых неорганических веществ и материалов для современных наукоемких технологий.

Цель данного комплексного исследования заключается в разработке методов получения и исследовании физико-химических свойств новых неорганических веществ, в том числе перспективных для конструирования функциональных материалов. Новые оригинальные, разработанные в рамках НИР подходы к изучению полученных материалов позволят объективно оценить возможности их практического применения с учетом современных тенденций научно-технологического прогресса. Для достижения этой цель будут проведены исследования, направленные на разработку фундаментальных подходов к получению функциональных наноматериалов на основе оксидов металлов V-VIБ групп с применением газофазных и жидкофазных методов синтеза, включая использование печатных технологий, выявление закономерностей, связывающих их состав и микроструктуру с основными свойствами (электрофизическими, хемосенсорными и электрохромными), а также апробацию полученных материалов в качестве компонентов устройств альтернативной энергетики, газовой сенсорики и оптики; создание методов синтеза новых типов функциональных веществ и материалов на основе гидридов и кластеров бора, в том числе создание перспективных соединений для современной персонализированной медицины, компонентов магнитных и люминесцентных материалов, гибридных органо-неорганических материалов (мембраны ион-селективных электродов, водород-аккумулирующие материалы, материалы медицинского назначения); создание комплекса достоверных данных по термическим и термодинамическим свойствам ряда ниобатов состава RE3NbO7, которые необходимы для оценки термической и фазовой (в т.ч. химической) стабильности перспективных материалов в области высоких температур; разработку новых стабильных пероксидных систем с высоким содержанием активного кислорода, обладающих высокой стабильностью, в виде кристаллических соединений и композиционных материалов и исследование их состава, строения и свойств; получение и исследование твердых растворов на основе тетрасульфидов дихрома железа и галлия и комплексных соединений РЗЭ с полидентатными лигандами, как основы перспективных материалов спиновой электроники; изучение кристаллохимических, магнитных и других характеристик новых соединений и изменение в зависимости от структуры, степени замещения; установление корреляций между составом, кристаллической структурой, электронным строением новых магнитно-активных фаз и их свойствами; установление влияния физико-химических параметров (температура, давление, состав) многокомпонентных систем, включающих сверхкритические (СК) флюиды (в том числе, СК диоксид углерода, фреоны и др.) на фазовые равновесия и протекание процессов модифицирования полимеров; изучение влияния функционализации поверхности образцов наноразмерного гидратированного оксида кремния, за счет присутствия ковалентно связанных фрагментов различного строения на его морфологию и сорбционные свойства. Создание новых неорганических веществ и материалов для современных наукоемких технологий – это одно из наиболее актуальных и перспективных направлений современного материаловедения. Успешная реализация НИР во многом определяет развитие инновационных разработок различных отраслей науки, техники, медицины, совершенствование промышленных технологий и производств. При реализации НИР планируется уделить особое внимание целому ряду актуальных вопросов, связанных с получением и изучением новых неорганических веществ и материалов. Современный уровень технологий диктует все более жесткие требования к функциональным материалам различного назначения. Перспективные устройства выходят на новый, улучшенный уровень характеристик, это частично позволяет реализовать применение наноматериалов с заданной микроструктурой, химическим и фазовым составом, которые определяют метод их получения. Создание электропроводящих и оптических материалов, перспективных в качестве компонентов устройств нового поколения (химических газовых сенсоров, суперконденсаторов, оптических и электрохромных устройств) требует разработки методов целенаправленного получения высокодисперсных оксидов металлов с заданными составом и морфологией, которые приводят к реализации улучшенных качеств 2D- и 3D-наноматериалов на их основе, а также методов адресного нанесения покрытий с помощью современных печатных технологий, позволяющих повысить экономичность процессов и перейти к миниатюризации устройств. Важно также отметить, что фундаментальной основой направленного синтеза неорганических веществ и функциональных материалов является исследование диаграмм состояния «состав-структура-дисперсность-свойства», определяющих состав, строение, стехиометрию и комплекс заданных свойств, а также синтез соединений в наноструктурированном состоянии. Важной задачей является исследование процессов синтеза на атомно-молекулярном и наноуровне, где закладываются стехиометрия, гомогенность, структура, дисперсность и другие важные характеристики. В создании функциональных материалов определяющую роль играет выбор прекурсоров – стартовых веществ, содержащих все необходимые компоненты целевых продуктов, а также выбор наиболее оптимальных технологических схем трансформации прекурсоров в материалы с использованием различных методов воздействия на вещество. В данном проекте предполагается осуществить достаточно широкий поиск новых веществ и материалов на основе гидридов и кластеров. В первую очередь это касается соединений на основе кластерных анионов бора и гидридов легких элементов. Данные классы соединений имеют широкое применение в различных областях науки, техники и медицины. В настоящее время активно развиваются направления, связанные с созданием новых фармакологически-активных соединений бора, перспективных люминесцентных и магнитных материалов на основе комплексных соединений, водород-аккумулирующих гидридных веществ. Все эти актуальные направления включены в задачи данного исследования. В рамках НИР запланирована разработка новых высокотемпературных материалов, актуальность которой обусловлена необходимостью создания отечественного оборудования для энергетических установок, авиационных двигателей и устройств с улучшенными физическими свойствами. При создании новых материалов определяющим является соответствие свойств вещества заданным параметрам, стабильностью в температурном диапазоне эксплуатации и стойкостью по отношению к контактирующим веществам в газообразном и конденсированном состоянии. Комплексное изучение сложных оксидов с высокими температурами плавления обусловлено перспективами их использования в качестве защитных покрытий ответственных деталей турбин энергетических установок и авиадвигателей. В последнее время встал вопрос о взаимодействии защитных покрытий с пылеобразными частицами природного и техногенного происхождения. Одна из проблем, на решение которой направлена НИР, связана с разработкой новых подходов к синтезу устойчивых пероксидных соединений и систем на их основе с высоким содержанием активного кислорода, перспективных для применения в качестве окислителей в быту, медицине, промышленности и других областях. Указанная проблема получения пероксидных систем, сочетающих высокую активность и стабильность остается актуальной с момента открытия пероксида водорода и развития тематики пероксидных соединений. Пероксосоединения и материалы на их основе широко востребованы в качестве компонентов бытовой химии, косметики, материалов и реагентов для медицины, отбеливателей в целлюлозно-бумажной промышленности и окислителей в различных процессах химической технологии. Особое внимание в работе будет уделено материалам спинтроники. Создание квантового компьютера позволит решать задачи, которые невозможно решить с применением имеющихся компьютерных технологий за приемлемые промежутки времени. Проблема создания материалов спиновой электроники до сих пор не решена. Развитие информационных технологий требует поиска новых веществ и материалов для устройств с наибольшей плотностью записи информации. Существует множество возможных направлений решений задачи поиска требуемых материалов. Многообещающими для хранения информации и в качестве основы элементной базы спинтроники являются молекулярные магниты и магнитные полупроводники. Молекулярные магниты – материалы с молекулярной структурой, в которых каждая молекула способна сохранять магнитный момент и служить для записи информации. Не менее актуален поиск стабильных к атмосферным условиям молекулярных магнитов, т.к. многие молекулярные магниты с наилучшими свойствами чувствительны к воздуху. Поиск способов создания новых полимерных мембранных материалов, сочетающих высокие параметры проницаемости и селективности, является чрезвычайно актуальным как с точки зрения развития материаловедческой науки, так и для решения промышленных и экологических проблем, связанных, в частности, с проблемой выделения диоксида углерода (СО2) из различных промышленных газовых смесей. Актуальность создания новых форм фармацевтических субстанций (лекарства пролонгированного действия, повышенной биодоступности, лингвальных форм и пр.) очевидна и является одним из основных трендов развития фармацевтического производства. СКФ технологии (сверхкритические флюидные технологии) обработки фармацевтических субстанций расширяют возможности производства высокочистых фармсубстанций и получения их частиц с заданными характеристиками (размер частиц, полиморфный состав и пр.). Одним из объектов исследования НИР является диоксид кремния, который находит широкое практическое применение, в частности, в пищевой, фармацевтической промышленности, микроэлектронике и др. Благодаря возможности получения наночастиц с высокоразвитой поверхностью распространено его использование для создания композиционных и гибридных материалов, которые применяются в альтернативной энергетике для создания систем накопления и генерации энергии, в аналитической химии и ряде других приложений. В частности, SiO2 используют в качестве допанта для полимерных электролитов (мембран типа Nafion, СПЭЭК, ПБИ). Для направленного изменения свойств таких материалов перспективным представляется использование в качестве добавки для создания гибридных материалов оксида кремния с функционализированной поверхностью. Взаимодействие групп на его поверхности с другими компонентами будет приводить к изменению свойств материала.