Skip to Content

НАНОРАЗМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ

Когда три года назад сотрудники лаборатории нестехиометрических соединений Института химии твердого тела УрО РАН начинали работу по гранту РНФ, они ставили перед собой прежде всего фундаментальную задачу — исследовать влияние размера наночастиц на их стехиометрию. Полученные результаты были опубликованы в 35 статьях, в том числе в высокорейтинговых журналах, защищены 4 патентами. Кроме того, оказалось, что проведенные фундаментальные исследования имеют практический выход, поэтому участники проекта уделяли особое внимание прикладным разработкам. В нынешнем январе грант РНФ для ученых ИХТТ был продлен на два года. Ведь научная проблема, над которой они работают, остается актуальной для неорганической и физической химии, химии твердого тела, развития представлений о нестехиометрии неорганических материалов и распространения их на наноматериалы, в частности на наночастицы соединений переходных металлов с кислородом, углеродом и серой.
О результатах трехлетней работы по гранту и о дальнейших планах мы поговорили с руководителем проекта РНФ зав. лабораторией нестехиометрических соединений ИХТТ членом-корреспондентом РАН А.А. Ремпелем. Но прежде всего я попросила Андрея Андреевича дать определение понятия нестехиометрии.
— Давайте начнем с разъяснения того, что означает термин «стехиометрия» (от древнегреческих слов στοιχεῖον «элемент» и μετρέω «измерять»). Это система законов и правил, позволяющих рассчитывать состав веществ и количественные соотношения между их массами в химических реакциях. Открытие законов стехиометрии положило начало химии как точной науке. В стехиометрических соединениях химические элементы присутствуют в строго определенных целочисленных (кратных) соотношениях. Их еще называют дальтонидами в честь знаменитого британского ученого Джона Дальтона, сформулировавшего закон кратных отношений. Примером стехиометрического соединения может служить ионное соединение NaCl (каменная соль) или ковалентное соединение SiC (карбид кремния), а также многие другие неорганические и органические вещества.
Однако в природе и среди синтетических веществ есть и нестехиометрические соединения — те, где наблюдаются отклонения от законов стехиометрии. Основная группа таких веществ — соединения переходных металлов с кислородом, углеродом, азотом и другими легкими элементами. Они имеют переменный состав и не подчиняются закону кратных отношений. В начале XX века свойства этих соединений, названных ранее бертоллидами в честь французского химика Клода Бертолле, исследовали выдающийся российский физико-химик академик Н.С. Курнаков и его ученики, правда, на макроуровне, поскольку в те времена рентгеноструктурный анализ только зарождался. Благодаря стремительному развитию  дифракционных методов исследования — рентгенографии, а затем электронографии и нейтронографии — ученые смогли установить отклонение количественных соотношений между компонентами химических соединений от правил стехиометрии.
— Чем интересны нестехиометрические соединения?
— Класс нестехиометрических соединений очень широк. Многочисленные случаи образования бертоллидов открыты среди оксидов, сульфидов, карбидов, гидридов и др. Нестехиометрия предполагает существование фаз химических соединений, обладающих разнообразными свойствами. Это многообразие фаз и свойств раньше либо игнорировали, либо  интерпретировали неправильно, списывая эффект нарушения стехиометрии на какие-либо другие причины.
Мы занялись исследованием нестехиометрических соединений по совету академика Г.П. Швейкина около 40 лет назад. Правда, сначала работали с крупнокристаллическими материалами, хотя прекрасно понимали необходимость исследования нестехиометрии на наноуровне. И только с получением гранта РНФ появилась возможность по-настоящему углубиться в эти исследования. Мы убеждены, что игнорировать фактор нестехиометрии нельзя. Надо сказать, что и большинство научных групп в мире, которые ранее не обращали на это внимания, сейчас уделяют нестехиометрии исследуемых материалов пристальное внимание.
— Какие фундаментальные результаты вы получили в ходе выполнения проекта?
— Если коротко, то мы экспериментально и теоретически показали, что размер наночастиц влияет на их стехиометрию. Обнаруженный эффект особенно существенен при очень малом размере наночастиц. Поскольку изменяется стехиометрия наночастиц, то изменяются и их функциональные свойства, а это обстоятельство можно использовать на практике.
— У вас много прикладных разработок. Расскажите о нескольких из них.
— Думаю, стоит остановиться на двух: это наночастицы сульфида серебра и искусственная кость.
Наноструктурированный сульфид серебра — очень перспективный материал. Благодаря уникальной комбинации структуры, физических и химических свойств он будет востребован в различных областях: в оптоэлектронике, в медицинской диагностике и биотехнологии. Скорее всего, этот материал будет применяться в фотохимических ячейках, инфракрасных детекторах, быстродействующих переключателях и энергонезависимых элементах памяти, в преобразователях солнечной энергии в электроэнергию, фотокатализаторах. Но, пожалуй, самое главное заключается в том, что наносульфид серебра — тонкий биосенсор. Сульфиды вообще способны хорошо справляться с распознаванием биологических объектов, потому что их квантовые точки (наночастицы, которые проявляют квантово-размерный эффект) — отличные флуоресцентные метки. Их эмиссия не уступает по яркости используемым сегодня органическим красителям, но это не самое главное преимущество. Главное — это долговременная стабильность люминесценции под воздействием возбуждающего высокоэнергетического облучения. Благодаря этому можно изучать длительные биологические процессы.
Мы разработали универсальный и достаточно простой метод синтеза наночастиц сульфида серебра с узким распределением частиц по размеру. И, что немаловажно, для получения нанокристаллического порошка сульфида серебра мы используем безопасные реагенты.
Изменяя соотношения между концентрациями исходных компонентов, можно получать частицы с заранее заданным размером, что особенно важно в практических целях. Наш метод получения наноструктурированного сульфида серебра запатентован и в 2015 г. был удостоен диплома «100 лучших изобретений России».
Другая прикладная разработка — искусственная кость для регенеративной, то есть восстановительной, медицины. Материал-заменитель костной ткани должен обладать определенным набором свойств: прежде всего биосовместимостью с тканями человеческого организма, остеокондуктивностью (способностью обеспечивать формирование и рост костной ткани на своей поверхности), механической прочностью. И, конечно, он не должен быть токсичным. Чтобы создать такой материал, нужно решить одну из главных материаловедческих проблем — воспроизвести в нем иерархическую структуру натуральной кости на нано- и микроуровне. Чтобы искусственная кость прижилась, она должна иметь такую же, как у природной, систему пор. Ведь конечная цель протезирования — биорезорбция, то есть постепенная замена в организме искусственной кости собственной костной тканью. 
В качестве исходного материала для создания искусственной кости мы выбрали два компонента: гидроксиапатит (ГАП)  и монооксид титана. Оба они обладают хорошей биосовместимостью с тканями человека. Синтезом гидроксиапатита кальция еще в 1990-е годы начали заниматься наши коллеги по институту доктора химических наук С.П. Яценко и Н.А. Сабирзянов, они разработали и запатентовали способ его получения. Чтобы улучшить свойства ГАП, мы «добавили» к нему нестехиометрический монооксид титана, получив после специального вакуумного отжига соответствующий нанокомпозит.
Благодаря варьированию соотношения двух исходных фаз, а также механической активации и выбору оптимального режима отжига наноматериала в вакууме нам удалось добиться необходимой морфологической иерархии и одновременно сохранить универсальные свойства костного материала. Морфологию разработанной нами искусственной кости можно представить в виде удлиненных нанопрутков гидроксиапатита, пересекающихся в 3D пространстве и скрепляющих округлые агломераты наночастиц оксида титана с короткими прутками ГАПа. Такой материал обладает необходимой пористостью и удельной поверхностью для разрастания родных костных тканей внутри дефекта. Биорезорбируемость, т.е. способность искусственной кости постепенно заменяться натуральной, достигается благодаря растворению в физиологическом растворе человека и реализуется за оптимальное время, необходимое для  быстрого заживления после протезирования. В итоге у больного появляется шанс полностью выздороветь. Мы также стремимся к тому, чтобы материалы со сложным химическим строением и морфологической иерархией можно было подгонять под индивидуальные особенности конкретного человека.
— Помимо существенного дополнительного финансирования, каковы еще преимущества работы по проекту РНФ?
— Продление гранта на три года — свидетельство того, что мы занимаемся актуальными исследованиями. РНФ поддержал не только участников проекта, но и в целом лабораторию нестехиометрических соединений как структурную единицу института. Мы продолжаем сотрудничество с коллегами из УрФУ и Новосибирска, устанавливаем новые контакты, в частности с учеными из Санкт-Петербурга и Дальневосточного отделения РАН, а также из Германии, Италии, Австрии, где проводим часть своих экспериментов. И, пожалуй, самое главное заключается в том, что грант РНФ помогает привлекать к исследованиям мирового уровня молодых ученых — они составляют 70% участников нашего проекта.
Беседу вела Е. ПОнизовкина
Фото на с. 3: член-корреспондент А.А. Ремпель; молодые участники проекта РНФ — сотрудники лаборатории нестехиометрических соединений ИХТТ. Слева направо: кандидат химических наук С.И. Садовников, магистрант И.А. Балякин, аспиранты И.Б. Дорошева и И.Д. Попов  
 
Год: 
2017
Месяц: 
сентябрь
Номер выпуска: 
16-17
Абсолютный номер: 
1161
Изменено 22.09.2017 - 15:15


2012 © Российская академия наук Уральское отделение
620990, г. Екатеринбург, ул. Первомайская, 91
popov@prm.uran.ru +7(343)374-54-40