Физико-химические основы неорганического синтеза микро- и наноструктурированных неорганических, органо-неорганических и керамических материалов и покрытий для био-, энерго- и ресурсосберегающих технологий.

Для успешного развития энергосберегающих производств и биотехнологий необходима разработка новых композиционных материалов – неорганических, органо-неорганических композитов, керамики и покрытий функционального и защитного действия. Большая потребность существует в композитных порошках, в том числе микро-, нанодисперсных, которые являются прекурсорами особенно прочной и биологически безопасной керамики, материалов, в т.ч. нанодисперсных для использования в электронных устройствах, например, в электрофоретических дисплеях, в качестве структурирующих и биоцидных добавок в золь-гель, органосиликатные и лакокрасочные композиции. Высокодисперсные порошки востребованы для изготовления керамических и композитных электродных материалов для энергонакопительных устройств нового поколения (суперконденсаторов, в т.ч. с псевдоемкостью – ПК). Функциональные покрытия востребованы для модификации поверхности и повышения эффективности электродных материалов для ПК, повышения седиментационной устойчивости и электрофоретической подвижности порошков в «электронных чернилах», для улучшения биосовместимости биокерамики. Защитные покрытия необходимы для предохранения материалов и конструкций от неблагоприятных климатических условий, в т.ч. экстремальных (Крайний Север, тропики), при контакте с морской водой, для защиты о биодеструкции и биообрастания. В настоящее время еще более обострилась проблема экологически безопасной защиты от биодеградации, биообрастания, химической, электрохимической и биокоррозии. Противодействие биообрастанию позволяет экономить горючее, увеличивать скорость продвижения судов и кораблей, сокращать время доставки грузов. Для этого необходимы новые методы и подходы синтеза и прецизионного формования материалов, использование особенной архитектуры и свойств поверхности (супергидрофобной, супергидрофильной), мягких биоцидов, создание композитов, в том числе со структурой «ядро-оболочка». Для решения этих проблем успешно применяются методы жидкофазного синтеза (золь-гель и лакокрасочная технологии, электрохимический синтез, совместное осаждение и кристаллизация, сольвотермический синтез). Производство безметалловых керамических биоматериалов для медицины составляют существенный сегмент современного рынка наукоемких технологий. Разработка новых систем для стоматологии и эндопротезирования направлена, в первую очередь, на усиление механических свойств и увеличение надежности. Нуждаются в совершенствовании импортозамещающие технологии производства биокерамики для эндопротезирования на основе пористого ZrO2 и стоматологии на основе плотного ZrO2. Остаются нерешенными ряд фундаментально-научных и технологических проблем, связанных с разработкой альтернативных источников энергии и энергонакопителей, которые бы имели высокую производительность, низкую стоимость и достаточный ресурс эксплуатации. Можно выделить необходимость разработки гибких композитных материалов с заданными свойствами для электродов ПК, необходимость решения проблемы его электрохимической стабильности в процессе эксплуатации. Многие нанокристаллические оксидные материалы имеют полезные прикладные функциональные свойства – полупроводниковые, магнитные, сорбционные, фотокаталитические и др. Такие материалы могут использоваться в качестве активных сред в твердотельных лазерах, оптоволоконных телекоммуникационных системах, катодных трубках, томографах, люминесцентных дозиметрах, детекторах и дисплеях, в качестве катализаторов и ингибиторов различных процессов. Важное место занимает вопрос морфологии таких материалов. В связи с этим, исследования, направленные на выбор метода синтеза, обеспечивающего требуемые размер и морфологию частиц функциональных материалов, являются весьма актуальными. Особый интерес представляет использование метода сталкивающихся струй в замкнутом объеме, благодаря своей простоте, эффективности и удобству технологического процесса. Принцип сталкивающихся струй в замкнутом объеме – Confinedimpinging-jetsreactors (CIJR) используется с 1980-х годов, главным образом для интенсификации процесса перемешивания полимеров. В последние годы указанный метод начал привлекать внимание исследователей как средство для синтеза наноразмерных частиц и был осуществлен в микрореакторах со сталкивающимися струями (МРСС). Механизм влияния условий синтеза при использовании метода на параметры образующихся продуктов пока изучен в недостаточной степени, хотя уже были синтезированы несколько видов соединений. Сочетание большой кинетической энергии струй реакционных растворов с очень малым реакционным объёмом делает микрореакторные подходы незаменимыми для получения новых веществ и материалов с ценными функциональными свойствами. В настоящее время разрабатываются перспективные методы микросмешения с использованием мощных вихревых течений и микрореакторы на их основе. Применение микрореакторов новых типов позволит добиться высокой концентрации кинетической энергии потоков в микрообъемах, а значит – обеспечить еще более высокий уровень микросмешения. Это, в свою очередь, будет способствовать синтезу наноразмерных частиц с меньшим средним размером и более узким распределением размеров. Вышеперечисленные проблемы предполагается решать на основе единого научного и технологического подхода, используя методы и подходы жидкофазного синтеза порошков и покрытий (золь-гель синтез, сольвотермический синтез, лакокрасочная технология, химические методы соосаждения и совместной кристаллизации, электрохимическое осаждение), разрабатывая научные основы ресурсо- и энергосберегающих технологий (керамическая технология на основе нанопорошков). Создание физико-химических основ направленного жидкофазного синтеза новых технически ценных оксидных и композиционных органо-неорганических и керамических материалов, защитных и функциональных покрытий с использованием экологически безопасных легирующих и модифицирующих добавок для достижения заданных физико-химических, физико-механических, электрохимических, электрофизических, коллоидных и других технологических и эксплуатационных свойств, а также для обеспечения эффективной, но экологически безопасной защиты материалов и объектов от биодеградации под влиянием биодеструкторов и биологически активных и агрессивных жидкостей, биообрастания, химической коррозии и электрокоррозии, механического разрушения под действием неблагоприятных факторов и климатических условий. В результате выполнения проекта будут получены следующие научные результаты: (1) Новые фундаментальные данные о влиянии пленкообразователей (алкоксиды кремния и титана, кремнийорганические лаки, алкиды, акрилаты, полиэфиры, полиспирты и др.), нанодисперсных наполнителей и структурообразователей (оксиды, гидросиликаты, алюмосиликаты, углеродные материалы), экологически безопасных добавок (наночастицы металлов, специально синтезированные биоцидные соединения, например, атраны) на технологические свойства, состав и структуру золь-гель, органосиликатных и лакокрасочных композиций и на состав, структуру, физико-механические и электрохимические свойства, длительность действия и биостойкость получаемых на их основе покрытий. Полученные с применением комплекса современных физических методов исследования новые данные об особенностях мезоструктуры, состава, морфологии и рельефа поверхности многокомпонентных защитных и функциональных покрытий: 1Н, 13С, 29Si ЯМР-спектроскопия, ИК-спектроскопия нарушенного полного внутреннего отражения, МУРР, МУРН, БЭТ, СЭМ, АСМ и др. Новые методы и подходы для увеличения эффективности и увеличения срока эксплуатации противообрастающего действия экологически безопасных покрытий. Механизмы биодеструкции и биокоррозии, в т.ч. при применении ингибиторов коррозии. (2) Синтез наноразмерных порошков и исследование их состава, структуры, морфологии, каталитической, фотокаталитической активности и биоактивности (Fe3O4, гамма-Fe2O3, TiO2, ZnO, Al2O3, в т.ч. с модифицированной поверхностью – SiO2, метилметакрилат и др.). Зависимости агрегативной и седиментационной устойчивости, а также электрокинетических свойств суспензий от состава дисперсионной среды (тип и соотношение неполярных растворителей – циклогексан, толуол, тетрахлорэтилен, а также добавки ПАВ – SPAN-80, OLOA, олеиновая кислота, и др.) и состава дисперсной фазы (Fe3O4, гамма-Fe2O3, сажа, TiO2, ZnO, Al2O3, в т.ч. с модифицированной поверхностью – SiO2, метилметакрилат, натрия додецилсульфат). Разработка конструкции электрофоретической ячейки. (3) Новые многокомпонентные кремнеземсодержащие металл-оксидные, металл-сульфидные композитные материалы для анода и катода энергонакопительного устройства – псевдоконденсатора (ПК). Зависимости: природа прекурсора – условия жидкофазного синтеза – состав – структура – свойства композитных металл-оксидных систем – создание объемных материалов – физико-механические, электрофизические, электрохимические свойства композитных объемных материалов анода и катода. Существенное улучшение электрофизических и электрохимических характеристик ПК. (4) Новые данные о влиянии условий синтеза, прекурсоров и допантов на особенности кристаллической структуры твердых растворов на основе диоксида циркония для получения на их основе керамики для стоматологии и эндопротезирования, не уступающей по своим характеристикам импортным аналогам. Разработка простых и экономически выгодных способов получения высокопрочной, биосовместимой наноструктурированной керамики. (5) Разработка новых энергосберегающих методов синтеза наноразмерных функциональных материалов с использованием высокоинтенсивного микросмешения в микрореакторах новых типов.