Комплекс молекулярной флюидной спектроскопии оснащенный специальными ячейками для измерения колебательных инфракрасных (ИК) спектров, а также спектров ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в широком диапазоне параметров состояния, включая сверхкритические. Для комплекса ИК спектроскопии была создана уникальная система поддержки и контроля давления и температуры позволяющей работать в интервале P=1 бар – 1000 бар и поддерживать заданное давление с точностью 0,1 бара и в интервале от комнатной температуры до T~400°C с точностью 1°С. Универсальность системы позволяет использовать ее с различными типами экспериментальных ячеек (для ИК и ЯМР спектроскопии), реакторов, позволяющих реализовать различные процессы, основанные на применении сверхкритических флюидных технологий, в частности, быстрое расширение сверхкритических растворов (RESS).
Год создания: 2018
Размер занимаемых установкой площадей, кв. м: 24.5
Местонахождение установки:
Направления научных исследований, проводимых на установке:
Главные преимущества, обоснование уникальности установки, в том числе сопоставление установки существующими аналогами, многофункциональность и междисциплинарность установки:
Кроме комплекса молекулярной флюидной спектроскопии ИХР РАН в мире существуют всего два подобных комплекса, которые оснащены специальными ячейками для получения колебательных инфракрасных (ИК) спектров, а также спектров ядерного магнитного резонанса (ЯМР) при сверхкритических параметрах состояния. Эти комплексы располагаются в ЮАР в лаборатории научно-исследовательском и опытно-конструкторском предприятии (R&T) SASOL, а также в лаборатории факультета неорганической химии университета Амстердама, Нидерланды. Основу всех конструкций ячеек высокого давления для ИК спектрометров составляют модифицированные автоклавы, оборудованные оптическими окнами прозрачными в диапазоне инфракрасного излучения. Одна из первых конструкций такого рода была разработана Мозером и Слокумом и включает модифицированный реактор, снабженный кристаллом кремния. Из-за цилиндрической формы окон она получила название - цилиндрическая ячейка с внутренним отражением (CIR). Ячейки такой традиционной конструкции используются в лабораториях в ЮАР и Нидерландах. Однако имеется ряд существенных отличий в принципах конструкции установок и тематики исследования. Так в рамках центра коллективного пользования ИХР РАН для комплекса молекулярной флюидной спектроскопии была спроектирована и изготовлена уникальная оптическая высокотемпературная ячейка высокого давления с учетом решаемых в лаборатории задач. Данная ячейка изготовлена из специальной стали, что позволяет использовать ее в широком диапазоне температур и давлений до 1000 бар и ~400°C. Специально разработанная система позиционирования ячейки позволяет использовать ее с различными типами спектрометров, имеющих стандартный порт крепления образца. Использование инновационной системы уплотнения оптическ их окон, выполненная на основе углеродного материала графлекс позволяет проводить длительные эксперименты при высоких давлениях и температурах при полном отсутствии утечек давления из ячейки. Одна из важнейших особенностей ячейки заключается в возможности оперативного изменения ее внутренней геометрии, в частности оптической длины образца, исходя из требований проводимого исследования. Организация внутреннего объема ячейки предоставляет возможность проводить исследования как одноконмонентных (жидкость, газ, сверхкритический флюид), так и многокомпонентных и многофазных систем (жидкость-газ, жидкость-сверхкритический флюид, жидкость-твердое вещество, сверхкритический флюид-твердое вещество, и т.д.) Существует два основных подхода для получения спектров ЯМР высокого давления. Первый основан на использовании датчика совмещенного с автоклавом, а второй — на использовании резистивной ячейки, в которой создается давление непосредственно. Последний метод используется чаще из-за высокой однородности магнитного поля и универсальности применения импульсных последовательностей (ячейка Роу). Данный метод применяется, как и в зарубежных флюидных комплексах, так и в комплексе, сконструированном в ИХР РАН. Основное отличие данных ячеек, состоит в различии материалов использованных при изготовлении включая пластмассы, стекло, кварц, сапфир и диоксид циркония. В зарубежных аналагах из ЮАР и Нидерладнов используются ячейки из оксида циркония, однако данный материал невозможно использовать для исследования агрессивных сред (плавиковой и концентрированной серной кислотах). Поэтому, за основу для ЯМР ячейки был взят, также как и для ИК сапфир, который является более устойчивым к агрессивным средам, а температурная зависимость коэффициента расширения достаточно мала, чтобы температурные градиенты не влияли на процесс измерения спектров. Хотя поверхность сапфировой трубки не является идеально концентрической, потеря разрешения в спектрах, значительно меньше, чем те, которые могли бы возникнуть при механической обработке или полировке поверхности. Несмотря на достоинства, ячейки Роу имеет существенный недостаток, который заключается в том, что клапан давления в ячейки создается фиксированным. Поэтому был разработан специальный клапан на основе конструкции предложенной Хорват и Миллар из немагнитного материала, чтобы обеспечить подачу газа под определенным давлением. Уникальные возможности комплекса молекулярной флюидной спектроскопии будут существенно расширены в результате модернизации ячейки для ЯМР. Основной целью модернизации является повышение основных инженерных параметров – стабильности поддержания давления в ЯМР ячейки.
Наиболее значимые научные результаты исследований (краткое описание):
В последние годы на комплексе молекулярной флюидной спектроскопии проводились междисциплинарные исследования биологически-активных веществ в флюидном растворителе. В частности, для широкого диапазона температур и давлений впервые в полной мере исследована растворимость парацетамола в сверхкритическом диоксиде углерода и определены кинетические параметры растворения[ Oparin, R.D., Moreau, M., De Walle, I., Paolantoni, M., Idrissi, A., Kiselev, M.G. (2015) European Journal of Pharmaceutical Sciences, 77, pp. 48-59]. Впервые была исследована взаимосвязь конформационного состояния молекул биологически-активных веществ (парацетамол и ибупрофен) в фазе сверхкритического диоксида углерода, находящейся в равновесии с кристаллической формой исследуемого соединения [ Oparin, R.D., Krestyaninov, M.A., Vorobyev, E.A., Pokrovskiy, O.I., Parenago, O.O., Kiselev, M.G. (2016) Journal of Molecular Liquids, . Article in Press.]. Для бинарного растворителя метанол-скСО2 обнаружена вероятность протекания реакции между исходными веществами смеси, протекающая с образованием диметил-карбоната, определены кинетические параметры реакции для широкого интервала температур [ Oparin, R.D., Ivlev, D.V., Vorobei, A.M., Idrissi, A., Kiselev, M.G. (2016) Journal of Molecular Liquids].
