Президентская программа
исследовательских проектов

Нано под ногами. Сырье для новейших материалов создает сама природа

Фото взято из открытых источников

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 (на снимке). 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.

Возврат к списку