Проект направлен на изучение процессов, протекающих на различных стадиях формирования наночастиц (зародышеобразование, рост и формирование конечных кристаллов) с помощью методов «мокрой» химии (осаждение, золь-гель, гидро- и сольвотермальный синтез, полиольный синтез и др.).

В качестве наиболее простых и действенных факторов, позволяющих получить наночастицы с немодифицированной поверхностью и подходящих для направленного регулирования протекающих процессов, рассматриваются состав реакционной среды, процедура смешения исходных реагентов и температурный режим синтеза.

Для характеризации полученных наночастиц используется комплекс физико-химических методов, позволяющих установить морфологические и структурные параметры, включающие параметры элементарной ячейки и размер кристаллитов, размер и форму наночастиц, поверхностный состав, количество кислородных вакансий и дефектов, а также зонную структуру и плотность электронных состояний. Анализ данных по эволюции системы проводится в том числе с использованием расчетного эксперимента на основании оригинального подхода к оценке взаимодействий формирующейся твердой фазы с компонентами реакционной среды.

В ходе выполнения проекта разрабатывается модульный подход к регулированию параметров наночастиц путем направленного изменения значений факторов, управляющих исследуемыми процессами, а также изучается влияние морфологических и структурных параметров наночастиц на их функциональные характеристики (фотокаталитические, сорбционные, термические, антибактериальные, оптические и т.п.) и устанавливается взаимосвязь «состав-строение-свойство».

В последнее время всё больше и больше исследований показывают, что дефекты играют важнейшую роль в регулировании свойств широкозонных полупроводников. Они оказывают влияние на фотокаталитические и фотолюминесцентные, электрические, электрохимические, магнитные свойства полупроводников. Это привело к появлению нового термина — «свойства, вызванные дефектами» (defect-related properties).

Исследования направлены на разработку методик определения количества дефектов различной природы в широкозонных полупроводниках, подходы к регулированию этого параметра путем варьирования условий синтеза, изучение функциональных свойств полученных образцов (в том числе практико-значимых) и установлению взаимосвязи «тип, природа и количество дефектов – конкретное значение функционального свойства», в том числе с привлечением расчетных подходов.

Одним из быстро развивающихся направлений неорганического материаловедения является регулирование зонной структуры нанопорошков неорганических широкозонных полупроводников и диэлектриков, которая определяет их оптические и электрические свойства, в том числе цвет, фотокаталические и люминесцентные характеристики, тип проводимости, особенности взаимодействия с излучением различной длины волны. Для осуществления указанного регулирования перспективным является (и широко исследуется) введение дополнительных электронов или дырок в матрицу диэлектриков или широкозонных полупроводников путем её анионного (замещение кислорода) или катионного (замещение атома металла) допирования.

Однако, несмотря на чрезвычайно широкое распространение и использование процесса допирования для получения полупроводниковых материалов с контролируемой зонной структурой, до сих пор отсутствует общее понимание последовательности шагов, которые необходимо предпринять для того, чтобы получить конкретные характеристики для конкретной матрицы.

Из всех нанообъектов наибольшее количество морфологических (размер и форма частиц, поверхностный состав) и структурных (размеры элементарной ячейки, размер кристаллитов, положение атомов, зонная структура) параметров характерно для наночастиц; они могут изменяться при незначительном изменении условий синтеза, что в свою очередь, будет приводить к изменению функциональных свойств.

Для решения указанной проблемы мы комплексно исследуем процессы допирования в матрицах различной природы (диоксид олова, бемит, гидроксиапатит, оксид цинка и др.), разрабатываем и апробируем подходы к получению образцов с различными морфологическими и структурными параметрами, устанавливаем влияние отдельных параметров и их комбинации на функциональные свойства материала.

За последние 20 лет эмульсиям Пикеринга (эмульсиям различной природы, стабилизированным твердыми частицами) посвящено большое количество исследований. Это связано с тем, что подобные системы могут быть использованы как для различных практических устройств, так и для создания новых материалов. Частицы-стабилизаторы могут иметь как органическую (синтетические и природные полимеры), так и неорганическую (наночастицы широкозонных полупроводников, диэлектриков, магнитные наночастицы) природу. Первые активно изучаются и применяются для пищевой промышленности и косметологии уже длительное время, интерес же ко вторым стал расти только в последние 10 лет.

Проект направлен на выявление параметров неорганических наночастиц, которые влияют на стабильность, размер капель и реологические свойства эмульсий Пикеринга; на изучение этого влияния с использованием химических и расчетных подходов; на разработку подходов к предсказанию этих параметров для направленного создания материалов.

При выполнении проекта реализуется комплексный подход, включающий в себя химическую часть, в процессе которой получается большое количество экспериментального материала, и теоретическую часть, в которой на основании выявленных зависимостей разрабатывается расчетный подход к описанию эмульсий, стабилизированных наночастицами различной формы.

Установление механизмов формирования материалов, состоящих из отдельных структурных единиц с заданной функциональностью, и параметров, влияющих на протекающие процессы, является чрезвычайно важной областью химического материаловедения как с практической, так и с фундаментальной точек зрения. В основном, функциональные свойства материалов изучают в комплексе, без выделения вкладов, вносимых отдельными функциональными единицами и их структурной организацией. При этом, установление именно этих вкладов и влияющих на них параметров позволит лучше понимать происходящие при формировании материалов процессы и в определенных пределах регулировать функциональные свойства конечного продукта.

Композиционные наноматериалы могут использоваться как сорбенты для очистки бытовых и сточных вод (полимерно-неорганические и неорганические макропористые материалы), как высокоэффективные (фото)катализаторы (материалы на основе полупроводниковых наночастиц и оксида графена или нанесенных на поверхность керамических наночастиц кластеров меди), для восстановления костной ткани (гидрогели на основе природных полисахаридов с наночастицами фосфатов кальция и неорганические макропористые материалы).

Изучение и установление взаимосвязи между функциональными свойствами отдельных структурных единиц, их организацией и конечными функциональными характеристиками материала является фундаментальной проблемой химического материаловедения, решение которой позволит создавать наноматериалы нового поколения.

Наночастицы типа «ядро-оболочка» представляют собой слоистую структуру из двух или более неорганических соединений; при этом свойства материала задаются либо комбинацией функциональностей ядра и оболочки, либо определяются гетеропереходами на границе их раздела. Примером первого варианта является контрастные агенты на основе наночастиц магнетита, поверхность которых защищена от окисления оболочкой из биосовместимых материалов, примером второго варианта – наночастицы диоксида олова с тонкой оболочкой из широкозонного полупроводника, обладающие фотокаталитической активностью в видимом свете.

Гибридные материалы на основе наночастиц в основном представляют собой нанообъекты, поверхность которых химически связана с ней органическими молекулами (модификаторами), что придает им, например, выраженные гидрофобные свойства или сорбционные характеристики.

Изменение состава, толщины и кристалличности оболочки или природы модификатора и его количества на поверхности позволяет в широких пределах варьировать свойства материала.

Несмотря на широкое распространение подобных материалов, до сих пор недостаточно исследованным остаётся вопрос влияния оболочки или модификатора на их функциональные свойства, следовательно, непонятно, какие шаги необходимо предпринять для получения материала с заданными свойствами.

В нашей группе разрабатываются общие подходы к управлению параметрами оболочки и процедуры модификации и определения положения модификатора на поверхности наночастиц, и принципиально новые алгоритмы создания наночастиц типа ядро-оболочка и гибридных материалов для направленного регулирования их функциональных свойств.