​Представьте себе дом, стены которого сами начинают охлаждать комнаты, когда становится слишком жарко, накапливая тепло и отдавая его, когда температура понизится, и все это без дополнительных энергетических затрат. Или операционный зал в клинике, где актуальная проблема обеспечения стерильности помещения решается окраской стен. Или корабль, днище которого после дальнего плавания почти не зарастает ракушками, хотя сейчас, по данным экспертов, при подготовке судна к новому плаванию на очистку от них в доках уходят до 40% затрат.

Все эти примеры могут показаться чем-то из области фантастики. Но все вполне реально. Эти и другие не менее удивительные вещи становятся возможными благодаря умным материалам. Над их созданием работают ученые из лаборатории наноструктурированных материалов с управляемыми свойствами Российского государственного университета нефти и газа (НИУ) им. И.М.Губкина (Губкинского университета) при поддержке Российского научного фонда (РНФ). Проект «Дистанционно-контролируемые наноструктурированные покрытия для медицины, морских сооружений и энергетики» в 2019 году победил в конкурсе по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными. Руководит лабораторией ученый мирового уровня, кандидат химических наук Дмитрий Щукин, постоянно работающий в Ливерпульском университете (Великобритания). Грант выигран им совместно с профессором Владимиром Винокуровым, заведующим кафедрой физической и коллоидной химии Губкинского университета. Лаборатория, конечно же, выросла не на пустом месте, а на крепком фундаменте научных разработок и идей, которые обе стороны – и британская, и российская – накопили за последние годы.

Первая Школа молодых ученых «Наноструктурированные материалы с управляемыми свойствами», прошедшая осенью в рамках этого проекта, открылась пленарными докладами ведущих специалистов и продолжилась серией молодежных сообщений. Выступление Д.Щукина было посвящено некоторым результатам исследований, которые он ведет в Ливерпульском университете. Ученый рассказал о создании активных поверхностей на основе наноконтейнеров и их использовании для сохранения тепловой энергии и получения покрытий, препятствующих биообрастанию кораблей. Основная идея такова: создать наноконтейнеры или нанокапсулы, внутрь которых можно помещать вещества с различными свойствами, – средства против коррозии, против обрастания ракушками, специальные фармакологические агенты для системы доставки лекарств и т. д. Главная задача – найти для оболочки такой материал, который был бы чувствителен к различным внешним воздействиям: изменениям водородного показателя среды (PH), электрического потенциала, уровня освещения, температуры. Нанокапсулы необязательно должны быть круглыми, они могут быть и вытянутыми, то есть очень хорошо для этой роли подходит нанотрубки, но их нужно чем-то закрыть. Вещество нанокапсул или «затычек» нанотрубок реагирует на изменение определенной характеристики окружающей среды и постепенно в течение продолжительного времени разрушается, высвобождая заключенный внутри действующий реагент. Полученный порошок или эмульсию из таких микрокапсул можно добавить в краску или бетон, использовать как порошковое покрытие и т. д.

Например, чтобы получить нанокапсулы для сохранения энергии, в них помещают вещества, которые при определенной температуре переходят из твердого в жидкое состояние и наоборот, поглощая либо выделяя тепло (иными словами, используется теплота фазового перехода). Добавка таких нанокапсул в краску позволяет сглаживать суточные колебания температуры в помещении на 10-15 градусов. Капсулы группа Щукина создает из полимеров на основе углеродных нанотрубок, а также галлуазита. Это, по сути, обычная глина. Оказывается, огромный потенциал скрыт в материалах, глядя на которые мы бы и не подумали о том, что они имеют отношение к нано.

– Те многочисленные нанообъекты, которые изучаются научными коллективами во всем мире, – графен, фуллерены, углеродные нанотрубки и т. д. – только малая часть айсберга из тех нанообъектов, что создала природа в ходе эволюции, – так начал свой доклад Винокуров. – Прежде всего это галлуазит, цеолиты и другие минералы. Но есть еще один природный материал, источник наночастиц – целлюлоза, основной биополимер, который нас окружает. Прирост целлюлозной биомассы составляет ежегодно 1,3 на 1012 тонн. Это очень много! Объемы воспроизводимых нанообъектов в природе на много порядков превышают возможности синтетической химии. Нанокристаллическая целлюлоза, которая получается после специальной обработки древесины, по сравнению с традиционными полимерами обладает целым рядом преимуществ: у нее более высокие механические характеристики и термостойкость, а главное – полная биоразлагаемость и практически идеальная биосовместимость с живыми организмами.

Уже после окончания работы Школы мы снова встретились с профессором Винокуровым. По его словам, с серьезными задачами, связанными с использованием природных наноматериалов в различных отраслях, губкинцы столкнулись еще в ходе выполнения проекта по первому мегагранту, в работе с профессором Гарвардского университета Львом Перельманом. Потом тот же коллектив выиграл второй мегагрант – с профессором Университета Луизианы Юрием Львовым: исследовали образование металлических кластеров в нанотрубках галлуазита.

– У углеродных нанотрубок – масса недостатков, – объясняет Винокуров. – Они синтетические и дорогие, порядка 100 долларов за грамм, они не биосовместимы, их нельзя использовать в катализе, так как они не выдерживают высокие температуры. Галлуазит – их природный аналог. Очень много его добывают в США, Китае, Новой Зеландии, Турции. В рамках нынешнего гранта РНФ, хоть это и не было заложено в наши планы, мы намерены выйти на разработку недавно открытого отечественного месторождения галлуазита, чтобы использовать в исследованиях не американские нанотрубки, которые мы сейчас из-за санкций получаем с трудом, а наши. Уже поступили первые образцы.

Природные наноматериалы крайне привлекательны: они стабильны, выдерживают очень высокие температуры, облучение, давление. У них огромная механическая прочность и громадные перспективы использования, над которыми мы и работаем в рамках нашего проекта. Природные нанотрубки – прежде всего армирующий материал, придающий механическую прочность любым композитам. Их можно заполнять биологически активными веществами, лекарствами. Мы научились модифицировать эти трубки снаружи и изнутри. Галлуазит позволяет очень медленно выделять вещества, помещенные внутрь его нанотрубок. Если типичный противораковый препарат, который быстро растворяется и поэтому через полтора часа выводится из организма, поместить внутри галлуазитных трубок, то время вывода увеличивается до 24 часов. Лекарство дольше действует, значит, для того же терапевтического эффекта достаточно меньшей дозы и не наносится вред здоровым клеткам.

Очистка корпусов в доках от ракушек – большая проблема, особенно актуальная в связи с освоением Северного морского пути. Летом один из наших сотрудников на ледоколе изучал воздействие внешних условий на наши материалы. Мы провели первые исследования, сейчас обобщаем результаты. Такая работа проведена впервые. С этого, собственно, начался наш проект.

Дмитрий Щукин применяет галлуазит в борьбе с резистентными микроорганизмами, используя его для инкапсулирования действующего реагента. Мы идем немного другим путем – применяем для тех же целей наноцеллюлозу.

На столе – опытный образец, тонкий полупрозрачный лист, похожий на пересохшую кальку.

– Пленку мы получаем просто: с помощью пульверизатора на стене создаем тонкий слой из наноцеллюлозы и сушим обычным феном, – продолжает профессор. – Очень интересный материал, который работает как матрица. Наносим на пленку так называемые квантовые точки – это полупроводниковые материалы, обладающие свойством флуоресценции. Размер точек – несколько нанометров. При воздействии фотонов в них генерируются положительно и отрицательно заряженные частицы, благодаря чему материал получает способность на свету окислять и восстанавливать различные соединения, в том числе и органические вещества. Если сделать из такого материала обои на стену, то при освещении они будут убивать микробов. Мы ставили эксперимент – оказалось, что даже самый злостный госпитальный микроорганизм – золотистый стафилококк – очень эффективно уничтожается от света обычной лампы.

Есть такой журнал – «Бюллетень японского химического общества». Так вот однажды его номер вышел с графическим абстрактом нашей статьи на титульном листе: силикатная нанотрубка и два баскетболиста. У одного, забрасывающего мяч внутрь трубки, – эмблема Губкинского университета, другой, с эмблемой Университета Луизианы, изображен со сварочным аппаратом, готовился «заварить» вход в трубку. Сначала было создано такое антибактерицидное покрытие на галлуазите, теперь разрабатываем его на наноцеллюлозе. Перед нами стоит задача научиться его делать более эффективно и технологично, исследовать различные материалы для создания квантовых точек, чтобы они были нетоксичны, биосовместимы и т. д. Наши результаты позволяют надеяться, что лет через пять такие антибактерицидные обои или краски можно будет использовать. Быстрее (с нашими скоростями внедрения) сложно.

По другому направлению проекта – созданию термоаккумулирующих материалов – губкинцы также идут своим путем, параллельно со Щукиным. Тот работает с материалами, инкапсулированными в полимерной матрице, но из-за высокой стоимости полимеров получается достаточно дорого. Губкинцы той же цели добиваются, используя наноцеллюлозу, и тоже уже есть интересные результаты. Например, сера при температуре 113 градусов плавится, становится жидкой. Но если порошок серы смешать с наноцеллюлозой, играющей роль матрицы, такой материал можно нагревать до 160 градусов: сера очень тонкой пленкой выходит на поверхность и уходит обратно при охлаждении, образец нагревается, но форма его не меняется. То же происходит и с пленками, которые на 80% состоят из серы, остальное – наноцеллюлоза. Это уже готовый материал, обладающий свойствами термоаккумулятора, то есть при нагревании он тепло забирает, при охлаждении отдает.

Коллектив, который участвует в этом проекте, – междисциплинарный. Есть и микробиолог, и биотехнолог. Кроме того, он объединил ученых из университетов других городов и стран. За годы исследований накопилось много зарубежных партнеров: Королевский технологический институт в Стокгольме, американские университеты Гарварда, Луизианы, Мэриленда, в Великобритании – университеты Лидса, Ливерпуля, Ноттингема. Широкая география и по России: Новосибирск, Саратов, Казань и Челябинская область, где идет разведка галлуазитов.

Поскольку помимо гранта РНФ есть еще и другие проекты, и хоздоговорные темы научный костяк группы сохраняется, а молодежь меняется. Обязательно приходят студенты, остаются аспиранты, защищаются кандидатские диссертации. В.Винокуров упомянул, что статьи ученых кафедры составляют примерно 30% публикаций в WоS и Scopus всего университета и во многом это достигнуто благодаря тематике, связанной с использованием галлуазита.

– Что дал вам грант РНФ? – спрашиваю в завершение разговора у Винокурова.

– Для нас очень важно, что благодаря этим средствам мы можем пригласить трех постдоков – молодых ученых, уже сложившихся, которые могут возглавить свои направления, – отвечает профессор. – Например, у нас остро не хватало специалистов в области биомедицины. Сейчас пришел Денис Воронин из Саратова – с международным опытом, свободным знанием английского, сам пишет статьи.

– Удивительно, какое отношение биомедицина имеет к нефтегазовому университету?

– В порядке собственной инициативы мы начали работать с Центральным институтом травматологии и ортопедии: изучаем биосовместимость наноцеллюлозы, возможность ее использования для лечения костей и суставов. Результаты очень многообещающие. Мы сотрудничаем с Пироговским университетом: одна из их клинических больниц готова использовать наши материалы в качестве бактерицидных повязок. В процессе исследований мы затрагиваем многие области, не связанные напрямую с задачами нашего гранта. Это как круги на воде, без них невозможно работать в науке. Всегда какое-то одно открытие тянет за собой массу других.

Наталия Булгакова

Похожие новости

  • 17/08/2018

    Двухслойная мембрана позволит получить особо чистый кислород

    ​Российские ученые разработали новую двухслойную мембрану для получения особо чистого кислорода из воздуха. Ее можно использовать в микро- и наноэлектронике, фармацевтической промышленности и биотехнологии.
    794
  • 06/02/2020

    Новосибирские ученые опубликовали единый обзор расчетных методов исследования фазовых переходов органических веществ при высоких давлениях

    ​Исследователи лаборатории физико-химических основ фармацевтических материалов Факультета естественных наук НГУ и Института химии твердого тела и механохимии СО РАН составили единый обзор существующих расчетных методов для исследования фазовых переходов органических веществ при высоких давлениях.
    208
  • 20/11/2018

    Российские ученые смоделировали образование активного кислорода на стенке клетки

    Удалось изучить активность веществ, образующихся во время лечения опухоли на оболочке раковых клеток и окисляющих их. Исследование провели сотрудники Института физической химии и электрохимии имени А.Н.
    647
  • 04/09/2019

    Цитируемые ученые ТПУ: катализаторы из золота и оболочки для ТВЭЛов

    ​Проект «Цитируемые ученые ТПУ» подводит итоги публикационной активности ученых Томского политехнического университета за летний период. Самый высокоцитируемый соавтор статей ученых ТПУ имеет индекс Хирша 75, а самый высокорейтинговый журнал — импакт-фактор 9,405 (Green Chemistry, Q1).
    589
  • 15/08/2018

    Описаны механизмы увеличения энергии электронов в химических реакциях

    ​Ученые описали, как можно увеличить энергию электронов в ходе химических реакций. Принципы этого процесса используются в химическом синтезе, однако детально их ранее не исследовали. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ и опубликована в журнале Angewandte Chemie.
    1208
  • 21/05/2019

    По итогам сочинского форума «Наука будущего — наука молодых»

    ​В Сочи завершились III Международная конференция «Наука будущего» и IV Всероссийский форум «Наука будущего — наука молодых». Мы попросили сибирских ученых, в них участвующих, рассказать, какие проекты они представляли на мероприятиях форума и с какими целями приехали сюда.
    591
  • 09/04/2019

    Сибирские ученые оптимизируют работу электронных дисплеев органическими полупроводниками

    ​Ученые Новосибирского государственного университета (НГУ) займутся исследованием свойств органических полупроводников (материалов, используемых в электронике), чтобы повысить эффективность используемых сейчас электронных дисплеев, сообщил ТАСС руководитель лаборатории органической оптоэлектроники НГУ Евгений Мостович.
    1026
  • 09/01/2020

    Ученые удвоят ресурс моторов из алюминия

    ​За счет новой технологии обработки сплавов срок эксплуатации легких алюминиевых двигателей увеличится и станет таким же, как у наиболее распространенных чугунных. Это приведет к улучшению динамики и экономичности массовых моделей автомобилей.
    271
  • 14/05/2019

    От электрона к фотону: ИФП СО РАН — 55

    ​​Институт физики полупроводников им. А. В. Ржанова появился в результате объединения Института физики твердого тела и полупроводниковой электроники и Института радиофизики и электроники. С тех пор ИФП СО РАН остается признанным за рубежом и в России лидером в области создания и производства новых высокотехнологичных материалов, интегратором крупных научно-производственных проектов и коммуникационной площадкой для ученых, преподавателей, представителей индустриального и бизнес-сообщества.
    767
  • 24/04/2018

    Как сделать жилье более доступным и экологичным?

    ​​Дом - это что-то теплое, уютное и, на первый взгляд - очень консервативное. Но на самом деле и строительство попевает за техническим прогрессом. Как сделать жилье более доступным, дешевым, экологичным? Мы создали краткий обзор тенденций и технологий будущего, которые появляются уже сейчас.
    1308