Laboratory "Chemistry of hybrid nanomaterials and supramolecular systems"

Группа №1 "Разработка растворных методов синтеза функциональных наноматериалов и композитов"

Руководитель: дхн Агафонов Александр Викторович

Задачи группы: 

• Разработка методов получения новых наноразмерных материалов с использованием принципов самосборки и самоорганизации в растворах с упором на управление формой, размером и структурой наночастиц (нано и микросферы, структры типа ядро-оболочка, наностержни, нанопроволоки, мезопористые материалы, оксиды металлов и гибридные органо-неорганические нанокомпозиты);
• Разработка подходов и методов функционализации наноматериалов  и наносистем;
• Реализация технологического потенциала наноматериалов на основе целенаправленной структурной организации и интеграции в другие технологии.

Объекты исследования:

• наночастицы неорганических оксидов (TiO₂, SiO₂, Al₂O₃, Fe₃O₄, WO₃, CuO, NiO и т.д.);
• наночастицы металлов (Au°, Ni°, Cu°);
• органо-неорганические гибриды на основе полимеров и наночастиц неорганических оксидов .

Группа №2 "Группа плазмохимии"

Руководитель: дфмн Титов Валерий Александрович

Направления исследований:

• Кинетика и механизмы генерации активных частиц в неравновесной плазме, контактирующей с жидкой фазой;
• Процессы взаимодействия неравновесной плазмы с полимерными материалами и с жидкими средами (растворами);
• Плазмохимические методы получения наночастиц оксидов металлов и композиционных материалов на их основе с использованием газовых разрядов, контактирующих с жидкой фазой;
• Плазмохимические методы модифицирования поверхности полимерных материалов;
• Процессы переноса компонентов растворов в плазму и их влияние на физические параметры плазмы и кинетику плазмохимических реакций.

Группа выполняет исследования, нацеленные на установление закономерностей синтеза наночастиц металлов и оксидов металлов при использовании различных генераторов плазмы, контактирующей с жидкостями, а также на получение новых композиционных материалов и продуктов, обладающих высокой сорбционной способностью, каталитической и бактерицидной активностью.

Антибактериальные свойства пленок полимолочной кислоты с наночастицами серебра по отношению к E. coli, B. subt., S. aureus и C. albic: 1 – без наночастиц, 2 – 1.3% серебра, 3 – 4.2% серебра, 4 – 8.2% серебра.

Используется плазма, генерируемая газовыми разрядами постоянного тока при различной полярности металлических и жидких электродов, разрядами на постоянном и переменном токе между расположенными в жидкости металлическими электродами.

Плазма, в контакте с жидкостью является сильно неравновесной системой с уникальными свойствами и чрезвычайно высокой химической активностью. При средней энергии электронов, отвечающей температуре Tе ~ 10000 – 20000 К, и высокой колебательной и вращательной температурах молекул в плазме (Tr ~ 1500 и Tv ~ 5000 К), контактирующая с плазмой жидкость имеет достаточно низкую температуру (не выше температуры кипения). В результате в плазме реализуются сверхравновесные концентрации активных частиц и высокие скорости протекания химических реакций. Быстрая эрозия электродов под действием ионов, ускоренных в приэлектродных областях падений потенциала, служит источником атомов металлов в газовой фазе, которые вступают в реакции с активными частицами плазмы, а попадание продуктов реакций в жидкость сопровождается их быстрой закалкой. Это открывает возможности получения нестехиометрических оксидов и легированных оксидных систем.

      Разряд постоянного тока с жидким катодом (а) и с жидким анодом (б)  

УФ излучение плазмы, ионная бомбардировка поверхности жидкости и рекомбинационные процессы на ее границе с плазмой ведут к образованию химически активных частиц в тонком поверхностном слое жидкости, и к протеканию в ней окислительно-восстановительных реакций. Изменение состава жидкости и ее рН дает дополнительные возможности для регулирования структуры и свойств продуктов плазмохимических реакций.

Частицы порошков нестехиометрического оксида молибдена, полученные с использованием тлеющего разряда в воздухе (а) и импульсного подводного разряда (b)

Методы исследований:

• Измерения электрофизических параметров плазмы;
• Эмиссионно-спектральная диагностика плазмы;
• Динамическое рассеяние света;
• Сканирующая электронная микроскопия;
• Просвечивающая электронная микроскопия;
• Атомно-силовая микроскопия;
• Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия;
• Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия;
• Электронная спектроскопия поглощения и флуоресцентная спектроскопия;
• ИК спектроскопия многократного нарушенного полного внутреннего отражения;
• Рентгеноструктурный анализ;
• Низкотемпературная адсорбция азота.

Основные результаты:

• Плазмохимическими методами получены наночастицы оксидов титана, молибдена и вольфрама. На примере оксидов молибдена показано, что изменение способа возбуждения плазмы и параметров разряда позволяет управлять размером частиц, их структурой и свойствами;
• Исследованы процессы образования наночастиц серебра и их осаждения на полимерные подложки (полиэтилен, полипропилен, полиэтилентерефталат) при использовании плазмы разряда атмосферного давления с жидким катодом – водным раствором нитрата серебра. Показана бактерицидная активность полученных материалов;
• Изучена кинетика и установлены закономерности генерации гидроксил-радикалов, пероксида водорода, сольватированных электронов в воде и водных растворах электролитов под действием разрядов различных типов (разряд постоянного тока с жидким катодом, подводный диафрагменный разряд, контактный разряд в объеме жидкости). Для детектирования радикалов использован метод акцепторов. Найдены энергетические выходы активных частиц при газоразрядной обработке жидкой фазы;
• С использованием экспериментальных методик (электрофизические измерения, спектроскопия излучения плазмы) изучены физические свойства разрядов атмосферного давления с жидкими электролитными катодами – растворами солей металлов. Показано, что на физические характеристики плазмы влияют процессы переноса компонентов растворенных веществ из жидкого катода в плазму. На основе экспериментальных данных выполнено численное моделирование процессов образования и дальнейших превращений активных частиц в плазме разрядов с электролитными катодами из растворов хлоридов натрия, кальция и меди. Установлены возможные процессы, которые определяют влияние продуктов переноса компонентов растворов в плазму на свойства разряда и кинетику протекающих в плазме процессов. Определены концентрации и основные каналы образования и гибели ряда активных частиц в плазме: гидроксил радикалов, пероксида водорода, атомарного кислорода, оксидов азота и других;
• С использованием плазмы успешно реализованы процессы деструкции и модификации хитозана в растворах, осуществлена его иммобилизация на поверхности инертного полимерного носителя; (полипропилена). Плазмохимическим методом получен композиционный материал (хитозан с внедренными в него наночастицами серебра), который обладает бактерицидными свойствами;
• Впервые показано, что плазмохимическая обработка водных суспензий целлюлозы существенно увеличивает выход нанокристаллической целлюлозы при последующем кислотном гидролизе.