Создание новых поколений функциональных материалов и технологий их получения на основе фундаментальных достижений современной неорганической химииНИР

Design of novel functional materials and technologies of their production based on fundamental achievements of inorganic chemistry

Источник финансирования НИР

грант Президента РФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2018 г.-30 ноября 2018 г. Создание новых поколений функциональных материалов и технологий их получения на основе фундаментальных достижений современной неорганической химии
Результаты этапа: 1. Функциональные материалы и нанокомпозиты для электрохимической и солнечной энергетики 1.1 В работе экспериментально установлено существенное различие значений потоков вещества при транспорте в противоположных направлениях через асимметричные мембраны в режиме капиллярной конденсации. Изменение проницаемости в зависимости от давления в сырьевом потоке и пермеате было протестировано на мембранах анодного оксида алюминия с диаметром пор 10−80 нм в селективном слое и 40-80 нм в несущем слое. Установлено, что давление начала капиллярной конденсации подчиняется уравнению Томпсона-Кельвина для диаметров пор на верхнем интерфейсе мембраны. Экспериментальное соотношение между проницаемостями, измеренными при транспорте со стороны верхнего и нижнего интерфейса мембран, достигает ~2 при давлении сырьевого потока, близком к давлению конденсации для мембран с порами малых диаметров. Показано, что транспорт конденсата через наноканалы в режиме капиллярной конденсации главным образом определяется кривизной менисков, которая отклоняется от термодинамически равновесного значения и постепенно меняется в зависимости от давления. 2. Высокочувствительные сенсоры 2.1. Синтезированы координационные соединения нового класса, содержащие лантаниды и органические лиганды 2-тозиламинобензилиден-N-арилоилгидразоны, изучены особенности их строения, в том числе в зависимости от условий синтеза. Исследованы их люминесцентные свойства в видимом и ИК диапазоне. Показано, что КС иттербия демонстрируют чрезвычайно высокую интенсивность фото- и электролюминесценции. 2.2. Разработаны методы получения порошков, наночастиц и тонких пленок гетерометаллических фторидов натрия-РЗЭ и композитов эвтектического состава в системе NaF-NaLnF4 — материалов для ап-конверсионного преобразования света, предложены эффективные приемы низкотемпературного синтеза гексагональной модификации NaLnF4. Полученные порошки, наночастицы и тонкие пленки NaYF4 допированные Yb, Er, Ho и Tm проявляют эффект ап-конверсии с квантовым выходом до 5 %. Получены наночастицы фторидов РЗЭ, излучающих в видимом (Eu, Sm, Dy) и ИК-диапазоне (Sm, Dy, Yb), поверхностно-модифицированные сенсибилизирующими ароматическими карбоксилат-анионами, за счет чего достигается высокая эффективность люминесценции ионов лантанидов. 2.3. Предложен новый подход к получению материалов для органических светодиодов на основе координационных соединений (КС) лантанидов, которых заключается в использовании в качестве матрицы соединений – нейтральных лигандов, способных обеспечить подвижность носителей заряда и сенсибилизацию люминесценции соответствующего лантанида. Проведен направленный синтез таких лигандов – как нейтральных, так и анионных - и КС лантанидов с ними. Показано, что эти соединения действительно демонстрируют квантовый выход люминесценции близкий к 100% и эффективную электролюминесценцию. 2.4. Для проведения люминесцентной биовизуализации получена серия ароматических карбоксилатов европия, содержащих нейтральный лиганд фенантролин, способствующий клеточной проницаемости и оказывающий сенсибилизирующий эффект. Показано, что эти соединения равномерно распределяются в цитоплазме и демонстрируют интенсивную внутриклеточную люминесценцию. Также получена серия соединений для люминесцентной термометрии на основе соединений тербия-европия. Показано, что полученные соединения нетоксичны, хорошо проникают в клетки и демонстрируют внутриклеточную люминесценцию обоих ионов. 2.5. Предложен новый метод получения водных золей кристаллического оксида вольфрама (IV) с размером частиц 60–150 нм, не содержащие поверхностно-активных веществ. Метод основан на термическом разложении B-паравольфрамата аммония с последующим диспергированием полученного WO3 в воде с использованием мощного ультразвукового воздействия. Показано, что высокая седиментационная устойчивость золей достигается за счет электростатической стабилизации частиц, возникающей в связи с формированием вольфрамовой кислоты на поверхности WO3 при их контакте с водой. С использованием полученных золей WO3 получены сенсоры, показавшие высокую чувствительность к газообразному аммиаку. 3. Материалы для микро- и наноэлектроники 3.1. Методом прерывистого движения мениска при испарении коллоидного раствора получены пространственно-периодические структуры из микрочастиц полистирола с двумя иерархическими уровнями организации. Суспензии на основе этанола со сферическими частицами полистирола диаметром около 1 мкм изготавливали методом безэмульгаторной полимеризации стирола с использованием персульфата калия в качестве инициатора. Полученные на стеклянных подложках структуры состоят из параллельных полосок, повторяющихся с периодом 140-150 мкм, и пустых промежутков между ними. Каждая полоска, в свою очередь, представляет собой гексагонально упакованный монослой микрочастиц. На обоих уровнях пространственной организации структур (то есть на гексагональной упаковке микрочастиц внутри полосок и на периодической решетке, образованной самими полосками) наблюдается дифракция света гелий-неонового лазера. 3.2. Разработан новый режим анодирования, позволяющий точно контролировать морфологию фотонных кристаллов на основе TiO2, получаемых методом анодного окисления во фтор-содержащих электролитах. Получаемые фотонные кристаллы состоят из нанотрубок с периодически изменяющимся внутренним диаметром. Этот подход открывает путь к получению одномерных фотонных кристаллов на основе TiO2 высокого качества, для которых можно варьировать ширину фотонной запрещенной зоны в пределах видимого диапазона, в зависимости от условий синтеза. 3.3. Разработан новый режим анодного окисления Al2O3, который учитывает скорость химического травления оксида в электролите и позволяет точно контролировать морфологию образующейся пористой пленки. Благодаря этому режиму были получены фотонные кристаллы из пористого анодного оксида алюминия ос беспрецедентным качеством фотонных запрещенных зон. Положение фотонной запрещенной зоны можно регулировать в пределах 250-1400 нм с точностью менее 1%, в зависимости от условий синтеза 3.4. Синтезированы пленки пористого анодного оксида алюминия с различными спектральными характеристиками в зависимости от толщины пористого слоя. Интерференционные картины Фабри-Перо были использованы для расчета дисперсии эффективного коэффициента преломления в пористой структуре. Установлена взаимосвязь между количеством слоев, глубиной фотонной запрещенной зоны и цветом пористых пленок. 3.5. Определены границы растворимости оксида меди в фосфате кальция со структурой апатита в зависимости от температуры, давления кислорода и паров воды. Исследуемые медьсодержащие фосфаты представляют собой мономолекулярные магниты с минимально возможным значением спина магнитных центров S = 1. 4. Биоматериалы для регенеративно-восстановительной хирургии 4.1. Условия синтеза октакальциевого фосфата Са8(НРО4)2(PO4)4•5H2O (ОКФ) определены на основе теоретического и экспериментального анализа ионных равновесий в буферных растворах. Сукцинат-замещенный ОКФ Са8(НРО4)2-хSucx(PO4)4•5H2O с х=0,8÷0,9 был синтезирован при pH=5,5, T=60°C в течение t=3 ч гидролизом α-ТКФ в 0.25М янтарном буферном растворе. Продукт демонстрирует большую устойчивость к термолизу по сравнению с чистым ОКФ; апатитоподобный продукт устойчив вплоть до 630°С. Порошок сукцинат@ОКФ был использован для наполнения гидрогеля на основе полиэтиленгликольдиакрилата (ПЭГДА), при формировании композитного имплантата методом стереолитографической 3D-печати. 4.2. Резорбируемость биокерамики системы Са3(РО4)2–СаNaPO4–CaKPO4 оценена в рамках подхода, включающего термодинамический расчет растворимости и исследование кинетики растворения в модельных средах, в частности в растворах лимонной кислоты. Термодинамический расчет указывает на высокую растворимость фаз Ca5Na2(PO4)4, α-CaМPO4, β-CaKPO4 и β-СаNa0.4K0.6PO4. Исследование кинетики растворения керамики позволило выделить два типа поведения резорбируемых материалов в слабокислых растворах: с быстрой кинетикой резорбции в случае фаз на основе нагельшмидтитных твердых растворов и неупорядоченных высокотемпературных твердых растворов a-CaМPO4, а также с близкой к постоянной невысокой скоростью растворения и высоким предельным значением растворимости в случае фаз на основе β-СaNaxK1–xPO4. 4.3. Методом термоэкструзионной 3D-печати из высоконаполненных композитных кордов β-Ca3(PO4)2/поли(D,L-лактид) (со степенью заполнения до 50 вес.%), β-Ca3(PO4)2/поли(ε-капролактон) (со степенью заполнения до 70 вес.%) изготовлены высокопроницаемые макропористые имплантаты с различной архитектурой для костной пластики. Для модификации поверхности композитных макропористых имплантатов, с целью улучшения их смачивания физиологическими растворами, предложена их обработка в плазме катодного разряда (2.5 Вт, плазмообразующий газ – воздух) в сочетании с дальнейшим травлением в растворе 0.5М лимонной кислоты. Показано, что основной вклад в изменение смачиваемости (краевого угла) композитов вносит изменение рельефа после травления в низкотемпературной плазме и лимонной кислоте. Альтернативным способом модифицирования поверхности композитов являлось осаждения слоя карбонатгидроксиапатита из раствора искусственной межтканевой жидкости, пересыщенного относительно природного аналога в 5 раз (5хSBF).
2 1 января 2019 г.-30 ноября 2019 г. Создание новых поколений функциональных материалов и технологий их получения на основе фундаментальных достижений современной неорганической химии
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".