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. Актуальность планируемой темы заключается в том, что полученные новые фундаментальные знания о физико-химических процессах, протекающих в жидкофазных и флюидных системах, формировании 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. 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 занимают особое место в научном мире. Развитие химии растворов и ее экспериментальных методов исследования существенно приблизило исследователей к пониманию процессов, происходящих в живом организме. Исследование растворов биологически активных веществ будет способствовать созданию новых форм лекарственных соединений, их повышенной растворимости, эффективной доставке до биомишеней, разработке новых функциональных материалов с вариацией их функциональности. Исследование влияния внешних воздействий (высокое давление, температура) на жидкофазные системы позволит получить многочисленные востребованные характеристики, необходимые для фундаментальных исследований и для различных отраслей промышленности. Поисковые исследования свойств, областей применения дипиррометеновых люминофоров будут способствовать созданию новых конкурентно способных и экономически привлекательных, эффективных люминесцентных маркеров и сенсоров, ФДТ агентов, систем доставки биосоединений и компонентов OLED устройств.
Исследование взаимодействия биополимеров с макрогетероциклическими соединениями является актуальной научной задачей, позволяющей решать проблемы ограниченной растворимости и таргетной доставки лекарственных соединений. Среди ионных проводников наиболее перспективными являются полимерные электролиты. Введение ИЖ в полимерную матрицу позволяет получить полимерные электролиты с высокой электропроводностью и электрохимической стабильностью, а мембраны на их основе характеризуются гибкостью и хорошими механическими свойствами. Многообразие полимеров/сополимеров, используемых в качестве полимерной матрицы, и не меньшее многообразие ИЖ, получаемых за счет варьирования катиона и аниона, позволяют создавать полимерные электролиты с широким спектром физико-химических свойств. Нахождение корреляций между структурой компонентов полимерного электролита и его свойствами имеет большое значение для разработки новых полимерных электролитов с заданными (оптимальными) характеристиками.
Цели:
- получение новых знаний о физико-химических процессах формирования структуры растворов для прогнозирования поведения жидкофазных и флюидных систем под влиянием факторов внешнего воздействия;
- 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;
- установление закономерностей влияния структуры соединений на их термодинамические свойства в многокомпонентных растворах, вносящих вклад в изучение механизма межмолекулярных взаимодействий;
- выявление роли сольвофобных эффектов на физико-химические параметры жидкофазных систем в широком интервале давлений и температур;
- установление структурного состояния жидкофазных и флюидных систем на основе современной методологии исследований в области структурной химии;
- изучение влияния состава композитных протон-проводящих мембран на основе полимеров, допированных ионными жидкостями на их электрохимические и физико-химические свойства;
- получение на основе дипиррометеновых красителей новых люминесцентных сенсоров наноструктурированных биосовместимых систем доставки биомаркеров, фотосенсибилизаторов, моно/мультислойных компонентов OLED устройств с фотоиндуцированным переносом электронов;
- изучение взаимодействия биополимеров с макрогетероциклическими соединениями для нужд медицины;
- установление закономерностей взаимодействия макрогетероциклических и гетероароматических соединений 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;
- синтез железосодержащих дендримерных комплексов на основе спинравновесных систем.
Руководитель: Киселев М.Г.
Номер государственной регистрации: 122040500040-6
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 отражено в публикациях наиболее широко. Актуальную задачу современной химии макрогетероциклических соединений представляет дизайн химической структуры комплексов высокозарядных катионов металлов с порфиринами и фталоцианинами и изучение их свойств, перспективных для моделирования природных процессов, а также активных компонентов органических солнечных элементов в оптоэлектронике и спинтронике.
Цели:
- создание полифункциональных самоорганизующихся порфиринсодержащих систем с четко определенными формами, размерами и физико-химическими свойствами с возможностью их контроля за счёт изменения природы и рН среды;
- 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: 122040500043-7
Научные и технологические основы получения функциональных материалов и нанокомпозитов
Актуальность
Химия и технология глубокой переработки природных и синтетических полимеров в течение многих лет остаются одними из наиболее актуальных направлений современной химической науки. В то же время прямые синтетические методы и подходы, манипулирующие природными и синтетическими полимерами, оказываются ограниченными для решения важных задач, что связано с невозможностью использования их смесей или расплавов при получении композитов с наночастицами и материалов биомедицинского назначения, включающих молекулы лекарств. Разработка растворных методов получения функциональных и композиционных материалов на основе природных и синтетических полимеров, содержащих наноразмерные наполнители, является новым направлением как в области получения нанокристаллической целлюлозы, так и в области создания новых классов композитов из синтетических полимеров. Применение целлюлозы и ее модифицированных форм в качестве добавок к синтетическим полимерам, а также в виде пленок и композитов, источника пористого углерода и углеродных волокон имеет колоссальные перспективы в различных областях современной жизнедеятельности. Существующая проблема расширения областей применения поликапролактама может быть решена с использованием в качестве наполнителя и армирующей добавки нанокристаллической целлюлозы. Актуально изучение роли полисахаридов при кристаллизации полиморфов CaCO3, установление роли поверхностных функциональных групп частиц нанокристаллической целлюлозы в качестве центров кристаллизации карбонатов и фосфатов кальция в полимерных скаффолдах, применяемых в тканевой инженерии и регенеративной медицине. Создание лекарственных форм с улучшенными показателями растворимости и биодоступности, разработка полимерных систем доставки лекарственных соединений в ближайшие годы будут определять прогресс в фармацевтике. Нанесение наночастиц оксидов на поверхность полимерных материалов или введение их в объем полимерной матрицы позволяет создавать гибридные материалы, обладающие новыми сорбционными, каталитическими, антимикробными свойствами, а также управлять их механическими, оптическими и диэлектрическими характеристиками. Это актуально для производства новых катализаторов, изделий электроники, медицинских материалов, в том числе для регенеративной медицины, поиска и изучения гибридов на основе наноуглеродных форм с использованием в качестве дополнительных центров магнетизма известных дисперсных и молекулярных ферро- и парамагнетиков. Для получения наноматериалов и обработки полимеров актуально применение неравновесной плазмы, контактирующей с жидкой фазой. Высокая плотность мощности разряда в плазме и большие градиенты температуры, создают условия для формирования материалов с уникальными свойствами, ведут к сокращению расхода реагентов, что особенно важно с точки зрения импортозамещения и решения экологических проблем.
Цель
Целью научного исследования является разработка новых подходов к жидкофазному синтезу передовых функциональных материалов на основе природных и синтетических полимеров, а также их композитов с наночастицами и биоактивными молекулами в качестве инновационных промышленно важных материалов.
Детально:
- разработка новых методов получения композитов на основе полисахаридов и нанокристаллической целлюлозы с антимикробной активностью против грамотрицательных и грамположительных бактерий;
- исследование влияния нанокристаллической целлюлозы в составе композита на минерализацию карбоната кальция с образованием различных полиморфов для моделирования процесса биоминерализации в полимерных скаффолдах, применяемых в тканевой инженерии и регенеративной медицине;
- разработка методов модификации природных и синтетических полимеров, включая многокомпонентные составы, на основе термодинамических и структурных исследований их растворов;
- изучение влияния природных и синтетических полимеров на физико-химические свойства биологически активных соединений;
- разработка методов получения мезо- и микропористых наноструктурированных материалов, пористых углеродных металлосодержащих композитов, а также магнитных адсорбентов, фотоактивных материалов, пленок, покрытий и мембран;
- разработка научных основ плазмохимического синтеза гибридных наноматериалов на основе полимеров с включением оксидов металлов и изучение их адсорбционных, каталитических и бактерицидных свойств;
- разработка новых типов электрореологических гелей и эластомеров;
- получение новых гибридных материалов на основе графена, магнитных наночастиц и молекулярных магнетиков, обладающих высоким магнитокалорическим эффектом.
Руководитель: Агафонов А.В.
Номер государственной регистрации: 122040500044-4
Формирование новых функциональных свойств полипропиленовых и природных целлюлозосодержащих волокнистых материалов с применением наноразмерных дисперсий и химических, плазмохимических и гидроакустических воздействий
Актуальность
В последние годы одним из приоритетных направлений химии и химической технологии является получение новых материалов для техники, медицины и быта. В основном, их получают модификацией существующих материалов и изделий путем введения в них соответствующих функциональных добавок с целью улучшения свойств и придания новых, ранее не присущих им возможностей. В рамках данной темы эта глобальная проблема решается разработкой теоретических основ функционализации волокнистых материалов и растворов полисахаридов по следующим направлениям:
- исследование структурных, фазовых и химических процессов в растворах и гидрогелях полисахаридов, инициируемых гидроакустическим воздействием;
- изучение поверхностной и объемной модификации синтетических волокнистых материалов;
- теоретическое и экспериментальное обоснование технологических основ синтеза моно- и бикомпонентных наночастиц серебра и меди, обеспечивающих высокую биологическую активность металлполимерных композитов на основе целлюлозных и синтетических волокон;
- изучение кинетики сорбционно-диффузионных процессов с участием гидрогелей и пленок нативных и модифицированных биополимерных гидроколлоидов, направленное на решение важных проблем профилактики микотоксикоза сельскохозяйственных животных и человека азагетероциклическими токсинами, создание эффективных средств лечения экссудирующих ран и носителей лекарственных препаратов с рН-регулируемым высвобождением иммобилизованных ферментов и алкалоидов.
Цель
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 и фитокомпозитов на основе биомодифицированного лубоволокнистого и лекарственного растительного сырья.
Руководитель: Морыганов А.П.
Номер государственной регистрации: 122040500050-5
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, невозможен без разработки биомедицинских 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 применением принципиально новых подходов, основанных на использовании многокомпонентных молекулярных кристаллов с заданными физико-химическими свойствами. 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 таких фармацевтических систем следует отнести: увеличение растворимости на порядки по сравнению с нерастворимой исходной компонентой; очень хорошие 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.
Цели:
- установление закономерностей и характерных особенностей влияния модификации молекулярной структуры и кристаллического окружения на физико-химические свойства, определяющие растворимость активных фармацевтических ингредиентов, а также создание на их основе научных представлений для получения биодоступных лекарственных соединений нового поколения;
- разработка экспериментальных подходов для дизайна растворимых лекарственных соединений на основе многокомпонентных молекулярных кристаллов (инновационных фармацевтических систем) с применением уникальных скрининговых алгоритмов и новых технологий получения препаратов;
- анализ влияния различных добавок/эксципиентов (циклодекстринов, биополимеров и плюроников) на кинетику растворения сокристаллов, процессы мембранной проницаемости и распределения молекул в биологических средах;
- разработка теоретических подходов для оценки энергии кристаллической решетки многокомпонентных кристаллов, а также прогнозирования образования термодинамически стабильных сокристаллов из индивидуальных соединений.
Руководитель: Перлович Г.Л.
Номер государственной регистрации: 122040600071-9
Фундаментальные основы методологии прогнозирования свойств новых органических и неорганических функциональных материалов на основе комплексного сочетания экспериментальных и теоретических методов современной физической химии.
Актуальность
Методы компьютерного моделирования (преимущественно молекулярная динамика и методы квантовой химии) и методы статистической физики (теория самосогласованного поля, RISM, теория классического функционала плотности), ставшие уже традиционными в современной физической химии, на сегодняшний день зарекомендовали себя как мощные теоретические инструменты, позволяющие предсказывать структурные, термодинамические и транспортные свойства сложных молекулярных жидкостей в равновесии, не прибегая к эксперименту. Кроме этих подходов, в последнее время также показывают свою эффективность методы глубокого машинного обучения, основанные на прогрессивных подходах статистической обработки больших данных физико-химических параметров и последующего предсказания физико-химических свойств новых соединений. Несмотря на все еще скромные успехи методов машинного обучения в физической химии, с нашей точки зрения, эти подходы имеют большую перспективу, особенно в сочетании с упомянутыми выше классическими подходами к моделированию молекулярных систем. Настоящий проект направлен на создание методологии мультимасштабного моделирования сложных молекулярных жидкостей, основанной на триаде теория-моделирование-машинное обучение, что на сегодняшний день представляет большую актуальность для физической химии и материаловедения.
Цель
Цель настоящего исследования заключается в разработке методологии, основанной на комплексном сочетании методов компьютерного моделирования (молекулярная динамика, квантовая химия), подходов современной статистической физики (теория самосогласованного поля, теория классического функционала плотности и метод интегральных уравнений) и методов машинного обучения для предсказания термодинамических, транспортных и структурных свойств молекулярных жидкостей в объеме и на границах раздела фаз.
Руководитель: Будков Ю.А.
Номер государственной регистрации: 122040600072-6
