Планы по темам государственного задания на 2021-2023 года

Развитие подходов и методов физической химии в исследовании многокомпонентных супрамолекулярных, молекулярных и ион-молекулярных систем как перспективных материалов

Актуальность
Разработка новых подходов и физико-химических принципов создания перспективных материалов с уникальными свойствами на основе многокомпонентных жидкофазных и флюидных систем (в том числе супрамолекулярных, молекулярных и ион-молекулярных растворов) относится к приоритетным направлениям развития химической науки и нанотехнологий. Эта тема соответствует приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники, утверждённым Указом Президента Российской Федерации от 7 июля 2011 года №899 и входит в перечень 16 приоритетных научных задач, сформулированных Правительством России.
Исследование, разработка и создание гибридных, биоподобных и искусственных биологических материалов, структур и систем, в том числе медицинского назначения, а также интеллектуальных технических устройств и их компонентов, включая нейроморфные; 13. Электрохимические накопители и преобразователи энергии для энергоэффективного и экологического транспорта, робототехники, распределенной и возобновляемой энергтики; 16. Энергетика будущего. Развитие фундаментальных исследований поведения вещества при экстремальных параметрах.
Актуальность планируемой темы заключается в том, что полученные новые фундаментальные знания о физико-химических процессах, протекающих в жидкофазных и флюидных системах, формирования структуры растворов являются основой получения новых веществ и функциональных материалов, в том числе с уникальными свойствами. Исследованием жидкофазных и флюидных систем занимаются многочисленные научные школы. Только на публикации, содержащие слово «раствор» базы данных выдают более 500 тысяч ссылок. Возрастающие требования безопасности к растворителям, используемым в промышленности, стимулируют поиск, создание и изучение новых, эффективных, отвечающих требованиями «зеленой» химии сред для синтеза, экстракции, растворения и пр. Эти проблемы занимает особое место в научном мире. Развитие химии растворов и ее экспериментальных методов исследования существенно приблизило исследователей к пониманию процессов, происходящих в живом организме. Исследования растворов биологически активных веществ будет способствовать созданию новых форм лекарственных соединений, их повышенной растворимости, эффективной доставке до биомишений. Этим и другим проблемам химии растворов посвящены многочисленные научные конференции во всем мире.
Цель
Получение новых знаний о физико-химических процессах формирования структуры растворов для прогнозирования поведения жидкофазных и флюидных систем под влиянием факторов внешнего воздействия. Будут установлены: закономерности структурообразования ряда растворов электролитов и неэлектролитов под влиянием внешних воздействий; особенности кластерообразования во флюидных системах в широком диапазоне параметров состояния.
Развитие теории растворов и модельных подходов к описанию жидкофазных систем на основе использования методов компьютерной химии и экспериментальных исследований различных свойств многокомпонентных систем в широком диапазоне параметров состояния, включая сверхкритические. Разработка способов регулирования состояния и реакционной способности молекул и ионов в растворах на основе изменения температуры, давления, состава, кислотности и ионной силы растворов.
Установление прогностических закономерностей влияния структуры на физико-химические и функциональные свойства нового класса люминесцентных красителей на основе лигандов и координационных соединений дипиррометенов с целью получения новых высокоэффективных флуоресцентных сенсоров ионов металлов,  протонодонорных, электронодонорных N,O-содержащих и ароматических токсинов и маркеров биополимеров (белки, ДНК).
Установление закономерностей взаимодействия макрогетероциклических и гетероароматических соединений (лигандов) с биополимерами, выявление зависимостей природы лигандов на прочность их связывания полимером, локализацию лигандов в полимере с целью разработки транспортных систем, сенсоров на основе макрогетероциклических соединений и фото-термочувствительных полимерных комплексов на основе полимеров и гетероароматических соединений
Разработка и установление структуры новых ионных жидкостей с металлгалоидными анионами; исследование кинетики и механизма окислительно-восстановительных процессов с участием этих ионных расплавов. Синтез железосодержащих дендримерных комплексов на основе спинравновесных систем. Получение протонпроводящих гелевых электролитов и мембран; выявление закономерности влияния природы кислоты, растворителя и типа полимерной матрицы на их строение и механизм проводимости. Развитие новых подходов к процессу мокрого формования фталоцианиновых плёнок и тонкоплёночных композитов. В результате будут получены протонпроводящие электролитные мембраны и тонкоплёночные композиты, характеризующиеся высокой электропроводностью и термостабильностью, а также надмолекулярно-организованные железосодержащие магнитные структуры.
Выявление роли сольвофобных эффектов на физико-химическе параметры жидкофазных систем в широком интервале давлений, температур. Установление структурного состояния жидкофазных и флюидных систем на основе современной методологии исследований в области структурной химии.
Руководитель: Киселев М.Г.
Номер государственной регистрации: 01201260481

Тетрапиррольные макрогетероциклические соединения – взаимосвязь физико-химических и прикладных свойств

Актуальность
Самоорганизующиеся супрамолекулярные порфирин-содержащие устройства с заранее заданной архитектурой и функциональными свойствами широко используются в качестве селективных рецепторов и сенсоров на заряженные и нейтральные субстраты, катализаторы, средства адресной доставки лекарственных препаратов и контрастных веществ.Комплексы порфиринов со смешанной координационной сферой отличаются высокой степенью окисления центрального атома и связанной с этим повышенной аксиальной реакционной способностью по сравнению с соответствующими комплексами двух заряженных катионов металлов, применение которых как в научной, так и в практической областях наиболее широко отражено в публикациях. Дизайн химической структуры комплексов высокозарядных катионов металлов с порфиринами и фталоцианинами и изучение их свойств, перспективных для моделирования природных процессов, а также в оптоэлектронике и спинтронике (активные компоненты органических солнечных элементов) представляет актуальную задачу современной химии макрогетероциклических соединений.
Цель
Создание полифункциональных самоорганизующихся порфирин-содержащих систем  с четко определенными формами, размерами и физико-химическими свойствами с возможностью их контроля за счёт изменения рН среды и добавок ПАВ. Разработка методов синтеза супрамолекулярных систем макрогетероциклических комплексов металлов с использованием  их повышенной реакционной способности по аксиальной оси и определение фундаментальных параметров и свойств аксиально координированных металлопорфиринов/фталоцианинов как наиболее обширнoго класса тетрапиррольных комплексов для развития химии молекулярных материалов на их основе.
Руководитель: Мамардашвили Н.Ж.
Номер государственной регистрации: 01201260482

Научные и технологические основы получения функциональных материалов и нанокомпозитиов

Актуальность
Важнейшей задачей современной химии и материаловедения является создание функциональных материалов нового поколения с регулируемыми структурой и свойствами для использования в медицине, технике, для решения экологических задач. При этом полимеры является основой производимых и используемых в настоящее время различных материалов народнохозяйственного и оборонного значения, поэтому исследования направленные на возможность регулирования свойств самих материалов в процессе их получения имеют большое значение. В этой связи остаются актуальными теоретические и технологические исследования получения материалов различного функционального назначения, формирования нового класса функциональных гибридных наноматериалов, которые в свою очередь применяются в качестве составных элементов в генерации функциональных наноструктур с уникальными электронными, магнитными, механическими и фотонными свойствами. Будут разработаны новые принципы функционализации материалов посредством формирования гибридных материалов и нанокомпозитов путем регулирования их свойств в процессе получения. Разработанные новые дефицитные, импортозамещающие материалы различного функционального назначения по своим характеристикам не уступят аналогичным зарубежным материалам. Ключевой концепцией темы является использование супрамолекулярных структур (блок-сополимеры, биополимеры, дендримеры и т.д.), в качестве темплатов и функциональных субстратов, самосборно связывающихся с неорганическими компонентами (функциональные неорганические оксиды, обладающие специфическими магнитными, диэлектрическими, оптическими характеристиками), новых прекурсоров гибридных нанокомпозитов, природных полимерных материалов.
Цель
Разработка растворных методов получения металлосодержащих наночастиц и функционализации наноматериалов на основе природных и синтетических полимеров применительно к конкретным научным и технологическим задачам.  
Содержание работ.
- разработка растворных (гидротермальные, осадительные, золь-гель) методов получения наноразмерных частиц с заданными диэлектрическими, кондуктометрическими, магнитными, сегнето- и пироэлектрическими, фотокаталитическими, адсорбционными, и структурными характеристиками;
-разработка растворных методов получения наноразмерных частиц природных и синтетических полимеров, а так же совместимых бинарных смесей природных и синтетических полимеров, построение диаграмм состояния растворов полимеров
- разработка  растворных методов получения нанокомпозитов на основе природных и синтетических полимеров с металлосодержащими наночастицами, алюмосиликатами
- развитие новых подходов к получению и функционализации наноматериалов и композитов с использованием плазмохимических, механохимических процессов и ферментативной обработки, адсорбции органических соединений
- изучение физико-химических свойств и важнейших технологических параметров полученных материалов: пористости и адсорбционной емкости, магнитных, диэлектрических характеристик, электропроводности, поглощения электромагнитного излучения
- разработка  фотокатализаторов и адсорбентов, материалов и пленок с высокой  биологической активностью, высокоэффективных систем доставки лекарственных препаратов, наполнителей для электрореологических и магнитных жидкостей, материалов с высоким магнетокалорическим откликом, наночернил для инжекционных принтеров.
Руководитель: Агафонов А.В.
Номер государственной регистрации:01201260483

Формирование новых функциональных свойств полипропиленовых и природных целлюлозосодержащих волокнистых материалов с применением наноразмерных дисперсий и химических, плазмохимических, гидроакустических воздействий

Актуальность
В последнее время в связи с появлением биодеградируемых материалов и активизацией исследований по созданию управляемых систем доставки лекарств к органам-мишеням возрос интерес к процессам управляемого структурообразования в пленочных, гидрогелевых и ультрадисперсных материалах на основе природных полисахаридов. Особое место занимают композитные материалы, содержащие, помимо полисахарида, функциональные аддитивы. В связи с этим перспективным является планируемое использование метода жидкофазной механоактивации для структурной гомогенизации и снижения межфазных энергий при получении материалов на основе полисахаридов.
Ассортимент используемых в промышленности природных и синтетических волокон достаточно узок, что ограничивает свойства материалов и композитов на их основе. В настоящее время, благодаря успешному развитию нанотехнологий, появилась возможность объемного и поверхностного модифицирования синтетических волокнистых материалов, основанного на использовании наноразмерных наполнителей, при получении синтетических нитей из расплава и формировании наноразмерных покрытий при отделке волокнистых материалов. Использование в качестве модификаторов биологически активных аддитивов открывает возможности придания синтетическим волокнам комплекса новых свойств, в число которых входят антимикробные. Совершенствование приемов синтеза наноразмерных частиц серебра направлено на расширение спектра их биологической активности и повышение экологичности. Наиболее перспективными и приемлемыми для практического применения являются способы химического восстановления солей серебра в присутствии природных высокомолекулярных соединений. Флавоноиды, сахара, полисахариды и т.д. могут выступать одновременно в роли восстановителя металла до нульвалентного состояния и стабилизатора образующихся наночастиц, а также сообщать им лечебные свойства и способствовать сохранению биологической активности модифицированных волокнистых материалов в течение длительного срока их эксплуатации.
Цель
Цель исследования: получение и исследование функционализированных биологически активными аддитивами ультрадисперсных и пленочных полисахаридных материалов, синтетических и целлюлозных волокон и пленок; разработка научных основ направленного регулирования свойств получаемых композитных материалов.
При этом планируется получить следующие научные результаты:
- выявить и обосновать возможности регулирования физико-механических, сорбционных и барьерных свойств ультрадисперсных и пленочных полисахаридных материалов с использованием биологически активных аддитивов и механоактивации водных систем;
- разработать научные основы получения композитов с устойчивыми антимикробными свойствами на базе целлюлозных и синтетических волокон и наночастиц серебра в присутствии природных и синтетических стабилизаторов и восстановителей;
- исследовать закономерности объемного модифицирования синтетических волокнистых материалов и пленок в процессе формования из расплава с использованием стабилизированных различными способами биологически активных металлсодержащих наночастиц;
- исследовать закономерности поверхностного модифицирования синтетических волокнистых материалов и пленок с использованием стабилизированных различными способами биологически активных металлсодержащих наночастиц.
Руководитель: Морыганов А.П.
Номер государственной регистрации: 01201260484

Разработка скрининговых подходов получения растворимых форм лекарственных соединений с нейротропной активностью на основе сокристальных технологий

Актуальность
Переход к персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения, в том числе за счет рационального применения лекарственных препаратов, не возможен без разработки медицинских материалов и препаратов нового поколения. В последнее время огромное внимание, как в литературе, так и в фармацевтической индустрии уделяется разработке биодоступных препаратов. Анализ литературы показывает, что около 40 % веществ, представленных на рынке, и 80 % соединений, находящихся на стадиях разработки в фармацевтических компаниях, имеют плохую растворимость в водных средах. Это существенно снижает терапевтическую эффективность лекарственных препаратов и способствует появлению побочных эффектов. Корректировка характеристик растворимости и проницаемости может осуществляться с использованием принципиально новых подходов, основанных на целенаправленной настройке физико-химических свойств многокомпонентных молекулярных кристаллов (сокристаллов). Экономический эффект от внедрения таких фармацевтических систем сопоставим с выводом на рынок нового препарата. Кроме этого, разрабатываемые инновационные технологии позволяют продлевать жизнь на рынке дженериковых соединений, которые приобретают улучшенные свойства и новый торговый бренд. К основным преимуществам сокристальных фармацевтических систем следует отнести следующие: увеличение растворимости на порядки по сравнению с нерастворимой компонентой; великолепные характеристики хранения (высокая термодинамическая стабильность); возможность значительно разнообразить/модифицировать кристаллические формы (т.е. расширение ассортимента торговой линейки); возможность целенаправленной корректировки фармакологических и физико-химических характеристик; улучшение клинических свойств.
Цель
Одной из ключевых проблем при разработке новых лекарственных соединений является их плохая растворимость и мембранная проницаемость. Это приводит к тому, что препараты имеют низкую биодоступность, обладают побочными эффектами и показывают невысокую терапевтическую эффективность. Анализ баз данных лекарственных соединений, разрабатываемых в последние десятилетия, показал, что при высокой их избирательности к биологическим рецепторам они практически не растворимы в водных средах. Это обстоятельство является одной из основных причин, почему кандидаты не проходят биологические и клинические испытания и не попадают на рынок. Поэтому большое внимание сейчас уделяется решению проблемы плохой растворимости, путем создания растворимых форм на основе новых фармацевтических материалов. Наиболее перспективными системами, значительно улучшающими растворимость и биодоступность активных фармацевтических ингредиентов, являются многокомпонентные молекулярные кристаллы. Таким образом, основная научная проблема, на решение которой направлены исследования – это плохая растворимость лекарственных соединений. В связи с этим, предполагается изучить основные факторы, влияющие на процессы растворения твердых тел, разработать теоретические и экспериментальные подходы для создания растворимых лекарственных соединений на основе многокомпонентных молекулярных кристаллов (инновационных фармацевтических систем) с применением уникальных скрининговых алгоритмов и новых технологий получения препаратов. Будут изучены процессы распределения и мембранной проницаемости, как индивидуальных соединений, так и фармацевтических систем на их основе.
Руководитель: Перлович Г.Л.
Номер государственной регистрации: 01201260485

 

Фундаментальные основы методологии прогнозирования свойств новых органических и неорганических функциональных материалов на основе комплексного сочетания экспериментальных и теоретических методов современной физической химии

Актуальность
На сегодняшний день функциональные материалы, такие как ионные жидкости, полиэлектролиты, диэлектрические полимеры и т.д., являются очень перспективными для создания так называемых умных материалов, т.е. материалов с контролируемыми физико-химическими свойствами с помощью изменения в пределах достаточно узких интервалов различных физических воздействий, таких как температура, pH, электрическое поле и т.д. Для моделирования равновесных свойств такого рода систем в последнее время получили распространение методы грубоструктурного молекулярно-динамического (МД) моделирования, в которых отдельные группы атомов (молекул) объединены в крупные частицы, взаимодействия между которыми описываются эффективными потенциалами. Несмотря на определенный успех, достигнутый в сокращении вычислительной трудоемкости при МД моделировании за счет огрубления реальной структуры молекул по сравнению с их полно-атомным представлением, моделирование систем большого числа частиц (даже с огрубленной структурой) в условиях конденсированной фазы все еще остается вычислительно затратным. С другой стороны, для нужд современной химической инженерии требуются вычислительные средства, позволяющие быстро и эффективно предсказать поведение термодинамических параметров. Такими средствами могли бы, в принципе, выступать методы современной статистической физики, среди которых теоретико-полевые методы, теория классического функционала плотности, теория среднего поля, теория интегральных уравнений и т.д., хорошо зарекомендовавшие себя при описании термодинамических и структурных свойств простых жидкостей и синтетических полимеров.
Цель
Разработка комплексных подходов, основанных на сочетании экспериментальных и теоретических методов современной физической химии, для предсказания новых нетривиальных физико-химических эффектов, протекающих в функциональных материалах.
Руководитель: Будков Ю.А.
Номер государственной регистрации: АААА-А19-119090490063-2