Группа синтеза и исследования наночастиц и
наноструктурированных материалов
наша философия
Исследовать
Изучение взаимосвязи «условия и процедура синтеза – параметры наночастиц»
Существует общепринятое правило, согласно которому приставка нано обозначает, что хотя бы в одном измерении объект имеет размер меньше 100 нм. В случае наночастиц этих измерений три, и наночастицы обладают свойствами, отличными от свойств макроскопических частиц – таких, которые можно почувствовать пальцами или увидеть в обычный микроскоп.
Удивительным и захватывающе интересным является то, что свойства наночастиц зависят от их параметров – размера, формы (шарик, кубик, палочка, пластинка и пр.), размеров кристаллитов, состава поверхности и многих других. К настоящему моменту уже известен ряд закономерностей, связывающих морфологические параметры получаемых наночастиц с условиями и процедурами синтеза, развиты теоретические подходы к описанию процессов роста наночастиц (такие как теория зародышеобразования, Освальдовское созревание или теория ориентированного присоединения), но умение химика-синтетика выбрать метод синтеза, использовать те методику и процедуру синтеза, которые позволят получить наночастицы с требуемыми параметрами, остаётся ещё искусством, которое передаётся от учителя к ученику.
На сегодняшний день перед исследователями стоит задача накопить значительный объем экспериментального материала, скрупулёзно обработать результаты проводимых исследований, не допустить ошибок в описании результатов, что в дальнейшем позволит понять скрытые механизмы формирования наночастиц и создать новые материалы на их основе.
Изучение взаимосвязи «состав – строение – свойство» в неорганических наночастицах и материалах на их основе
Идея о взаимосвязи строения вещества и его свойств была высказана еще М.В. Ломоносовым, и к настоящему моменту изучению этой взаимосвязи посвящено огромное число работ, которые, однако, в основном посвящены количественным корреляциям «структура – свойство» в органической химии.
В неорганической химии и неорганическом материаловедении между составом, строением и свойствами нанообъектов и наноматериалов существует очень сложная связь – даже небольшое изменение условий их получения приводит к резкому изменению характеристик, что приводит к огромному количеству влияющих на них факторов и параметров. Более того, влияние зачастую носит сложный, нелинейный характер и определяется значительным количеством различных факторов. Получение, обработка и анализ большого количества экспериментальных данных для выделения вклада от каждого фактора являются нашими задачами, решение которых позволит нам научиться предсказывать эту зависимость.
Понимать
Экспериментальное исследование и теоретическое описание процессов роста наночастиц
Способность синтезировать наночастицы с заданными морфологическими параметрами пока остаётся своего рода искусством. Если в руках ученого окажется большой экспериментальный материал, то это позволит выявить закономерности формирования наночастиц. Но просто выявить закономерности недостаточно, так как тут же возникает вопрос – а почему существует такая закономерность. Объяснение закономерностей – задача более сложная. Ответ на неё обычно подразумевает разработку и создание модели, которая позволит дать ответ на вопрос «А что будет, если мы так-то поменяем начальные условия?». В докомпьютерную эру на основании моделей составлялись уравнения, которые потом решались при помощи различных математических приёмов. Сегодня компьютеры стали надёжным инструментом в научном исследовании и помогают нам посмотреть, что предсказывает модель без необходимости искать решения уравнений. Компьютерное моделирование позволяет отказаться от многих приближений и учесть механизмы, которые ранее просто не включались в рассмотрение. Построение и изучение моделей позволит нам понять процессы роста наночастиц, что в свою очередь позволит химикам-синтетикам успешно синтезировать наночастицы с заданными свойствами, направляя процесс их формирования по тому или иному пути.
Экспериментальное исследование и теоретическое описание процессов взаимодействия наночастиц друг с другом и с молекулами различной природы
Наночастицы в вакууме существуют только в воображении физиков-теоретиков. На практике синтез всегда проходит, например, в водной среде. Реакционная среда содержит исходные реагенты, а также в нее могут быть добавлены различные молекулы, которые находятся преимущественно рядом с поверхностью наночастицы или прикрепляются к ней, замедляя её рост или осложняя взаимодействие с другими компонентами.
Кроме того, поверхность наночастиц может быть модифицирована (то есть к ней можно прикрепить различные молекулы) как непосредственно в ходе синтеза, так и после его окончания. За счет модификации область применения наночастиц существенно расширяется, поскольку изменение состава поверхности позволяет нам влиять на поведение объектов в различных средах – будут ли они равномерно распределяться по объему или скапливаться на поверхности, как они будут взаимодействовать с компонентами среды и друг с другом. Путем модификации поверхности наночастиц мы можем, например, создать сорбенты для конкретного вещества, позволяющие выделять его из проб различного состава, или прикреплять к наночастицам векторные молекулы для адресной доставки в орган или ткань-мишень.
Понимание того, как именно происходит взаимодействие поверхности частицы с компонентами реакционной среды или раствора можно получить при помощи компьютерных расчетов и моделирования.
Квантово-химические расчеты энергетического спектра твердого тела
Уникальные свойства наночастиц во многом связаны с особенностями их электронного строения. Наночастица – это не отдельный атом или молекула, это уже периодическая структура, но ещё не макроскопический кристалл.
Для наночастицы большое влияние на свойства периодической структуры оказывает её поверхность. Если посчитать, какую долю атомов, образующих наночастицу, составляют атомы, находящиеся на поверхности, станет понятно, что в отличии от макроскопического кристалла ими пренебрегать нельзя. Это приводит к тому, что каждый раз для наночастиц нового размера или формы необходимо проводить квантово-химические расчеты зонной структуры и плотности состояний, учитывая их морфологические особенности.
Такие расчеты дают понимание того, почему у наночастиц проявляются или наоборот исчезают оптические, фотокаталитические, фотолюминесцентные или другие, связанные с особенностями энергетического спектра, свойства.
Моделирование магнитных свойств наночастиц сложной структуры
Магнитные свойства вещества изучены достаточно хорошо. Однако, для наночастиц и композитов на их основе магнитные свойства будут каждый раз обладать уникальными особенностями. Компьютерное моделирование, будучи надёжным инструментом исследователя, помогает вначале найти ответ на вопрос «какими будут магнитные свойства наночастиц или материалов, если они обладают таким параметрами или такой структурой», а дальше заняться более сложным вопросом «а какие должны быть параметры наночастиц или структура композитного материала, чтобы получить заданные магнитные свойства». Понимание ответа на последний вопрос позволит создавать новые материалы с уникальными свойствами и высокотехнологичные устройства.
Создавать
Разработка неорганических наночастиц и наноматериалов с заданными функциональными характеристиками
Для создания материалов с заданными характеристиками мы используем весь наш объем знаний, накопленный на этапах «Исследовать» и «Понимать» для целенаправленного изменения параметров частиц и получения требуемых свойств.
В процессе создания материала мы идем от необходимых характеристик материала к процедуре его получения через стадии выбора природы компонентов материала, их свойств и параметров, обеспечивающих эти свойства. Это позволяет экономить ресурсы и значительно сокращать время на проведение экспериментов, а также получать материалы с широким спектром характеристик.
Области применения разрабатываемых материалов очень широки, начиная от задач по обеспечению экологической безопасности и заканчивая производством косметических средств и медицинской диагностики.
Направленное регулирование свойств полимерно-неорганических композиционных наноматериалов
Направленное конструирование полимерно-неорганических композиционных наноматериалов , в которых неорганический компонент находится в наносостоянии, а взаимодействия между фазами происходит на наноуровне, активно развивается в течении последних 20 лет.
Особенность данных материалов заключается в появлении у них новых функциональных и эксплуатационных свойств, которыми можно управлять за счет регулирования структуры материала путем изменения параметров неорганического компонента, его пространственного распределения и процедуры получения композита.
Несмотря на значительные успехи в данной области, результаты которых прочно вошли в наш быт, получение наноматериалов в заданными характеристиками всё еще является сложной задачей, для решения которой мы широко привлекаем расчетный эксперимент и опираемся на большой объем полученного нами экспериментального материала.