ИФХЭ РАН

Структура института Научные подразделения Лаборатории Лаборатория поверхностных явлений в полимерных системах

Лаборатория поверхностных явлений в полимерных системах

Научное направление: Физикохимия нано- и супрамолекулярных систем
Руководитель лаборатории: РУДОЙ Виктор Моисеевич
Ключевые слова: наночастицы металлов, композитные наноструктуры «ядро/оболочка», локализованный поверхностный плазмонный резонанс, коагуляция золей металлов
Адрес: Ленинский проспект, д.31, корп.4, Москва, 119071
Телефон: +7 (495) 955-46-60

 

Основные направления исследований 

• Моделирование адсорбции макромолекул из растворов и расплавов смесей полимеров на поверхностях различной природы.

• Фазовые переходы в тонких пленках растворов и смесей гибкоцепных полимеров. Концентрирование полимеров в порах из растворов в плохом растворителе.

• Изучение особенностей состояния поверхностных слоев стеклообразных полимеров.

• Коллоидно-химический синтез наночастиц металлов с заданными размером, формой и структурой, характеризующихся настраиваемым в широком частотном диапазоне положением локализованного поверхностного плазмонного резонанса (ЛППР).

• Рассеяние и поглощение электромагнитного излучения дисперсиями плазмонно-резонансных наночастиц и формирующимися в них агрегатами.

• Силы между наночастицами, определяющие коагуляцию золей золота под действием индифферентного электролита. Вклад структурной составляющей энергии взаимодействия в стабильность золей.

• Исследование коагуляции золей золота: формирование агрегатов и кинетика процесса.

• Разработка способов формирования на поверхности наночастиц металлов «гибридных» оболочек из кремнезема, содержащих молекулы красителя, и исследование оптических свойств таких наноструктур применительно к проблеме создания сверхярких излучающих устройств (в частности, нанолазеров).

• Исследование закономерностей темплатного золь-гель синтеза мезопористых частиц кремнезема с целью конструирования «умных» нано- и субмикроконтейнеров принципиально нового типа (в том числе, со структурой протоклетки), характеризующихся сверхвысокой емкостью по загружаемому целевому функциональному веществу (например, лекарственному препарату или ингибитору коррозии) и чувствительностью к pH среды.

• Разработка новых способов иерархической сборки двумерных ансамблей наночастиц металлов на подложках разной природы с целью создания ультратонких гетерогенных оптических сред – прототипов метаматериалов.

 

История лаборатории

Лаборатория была создана в 2002 г. на базе коллектива Лаборатории стабилизации полимерных покрытий, возглавлявшейся Заслуженным деятелем науки Российской Федерации проф. докт. хим. наук В.А. Огаревым, в связи с изменением тематики научно-исследовательских работ. Профессор В.А. Огарев продолжал руководить лабораторией вплоть до 2007 года.

В лаборатории проводится широкий круг экспериментальных и теоретических исследований по двум основным направлениям. Первое из них – изучение поверхностных явлений в растворах и расплавах полимеров, в том числе, в пространственно-ограниченных системах (тонких пленках и порах). Второе направление – синтез и исследование свойств нанодисперсий и двумерных ансамблей наночастиц, а также возможности их использования в биомедицинских целях и для создания новых устройств наноплазмоники.

Многие из этих исследований носят комплексный междисциплинарный характер и выполняются в кооперации как с другими подразделениями ИФХЭ РАН, так и с целым рядом академических и отраслевых институтов. Среди них – ГЕОХИ РАН, ФИ РАН, ИБХФ РАН, ИОФ РАН, ИБФРМ РАН, ИМГ РАН, ИБР РАН, РОНЦ им. Н.Н. Блохина, МНИОИ им. П.А. Герцена, ГНЦ НИОПИК, ВНИИА им. Н.Л. Духова.

 

Сотрудничество с высшей школой

Лаборатория как в своей научной деятельности, так и с целью подготовки научных кадров сотрудничает с ведущими высшими учебными заведениями страны. В их числе МГУ им. М.В. Ломоносова, СГУ им. Н.Г. Чернышевского, РХТУ им. Д.И. Менделеева, Высший химический колледж РАН.

На базе лаборатории и под руководством ее сотрудников подготовлены 9 бакалавров, 9 магистров и 2 специалиста. Четверо из них затем выполнили в лаборатории и успешно защитили кандидатские диссертации.

 

Основные научные результаты

• Получены данные о конформации макромолекулы в адсорбционном слое в функции концентрации полимерного раствора и длины гибкой цепи. Выведено уравнение, описывающее адсорбцию из расплавов смесей гибкоцепных полимеров в зависимости от их состава и соотношения степеней полимеризации компонентов.

• Теоретически показано, что, несмотря на огромное различие в размерах молекул компонентов, закономерности «капиллярного расслаивания» растворов гибкоцепных полимеров аналогичны наблюдаемым при капиллярной конденсации ненасыщенного пара. Предсказано, что при капиллярном расслаивании в критических условиях возникают два асимптотических режима, характерных соответственно для широких и узких пор. Получены соотношения, описывающие поведение системы в каждом из режимов и условия смены режимов в зависимости от размера поры и длины полимерной цепи.

• Предложен новый метод зондирования поверхности полимеров коллоидными частицами металлов. Это позволило получить уникальную информацию об особенностях стеклования полимеров на границе с воздухом, сформулировать и реализовать алгоритм конструирования материалов принципиально нового типа – плазмонных метаповерхностей, представляющих собой «двумерные» ансамбли металлических наночастиц, встроенные в поверхностные слои полимеров. Продемонстрирована возможность управления оптическими свойствами таких материалов путем изменения геометрии ансамблей наночастиц и глубины их погружения.

• Разработан мультифрактальный подход к количественному анализу нанодеформации поверхности стеклообразного полимера. Предложен алгоритм построения спектров обобщенных фрактальных размерностей. Показано, что информация, содержащаяся в этих спектрах, разумно отражает свойства рельефа, формирующегося при деформации поверхности полистирола в атомно-силовом микроскопе.

• Разработаны новые способы синтеза композитных наночастиц с диэлектрическим или магнитным ядром и золотой или серебряной оболочкой, положение ЛППР которых можно варьировать в широком спектральном диапазоне. Продемонстрирована высокая эффективность термосенсибилизирующего действия таких наноструктур при лазерной гипертермии злокачественных новообразований.

• Систематически исследованы закономерности беззатравочного синтеза золотых наностержней с использованием в качестве восстановителя гидрохинона. Проанализировано влияние температурно-временных условий процесса, а также содержания каждого из компонентов реакционной системы на выход, морфологию и плазмонные характеристики наностержней. Показано, что увеличение концентрации гидрохинона сопровождается немонотонным сдвигом продольного ЛППР наностержней. Оптимизированы условия синтеза, и продемонстрирована возможность тонкой настройки продольного ЛППР в диапазоне от 800 до 1100 нм путем небольших изменений температуры процесса.

• Проведены расчеты и подробный анализ трансформации спектров экстинкции для димеров частиц золота различного размера в зависимости от разделяющего частицы расстояния. Построена универсальная плазмонная линейка, связывающая расстояние между частицами в димерах со сдвигом низкоэнергетической полосы ЛППР. Рассчитаны коэффициенты экстинкции индивидуальных наночастиц золота различного размера и их димеров в области высокоэнергетической полосы ЛППР. Проанализирована зависимость оптического фактора от размера наночастиц золота.

• С учетом данных о расстоянии между наночастицами в димерах, формирующихся на ранних стадиях быстрой коагуляции, исследован вопрос о достаточности учета трех составляющих (электростатической, ван-дер-ваальсовской и структурной) потенциальной энергии взаимодействия двух частиц для корректной оценки с ее помощью стабильности золей золота. Проанализирована устойчивость золей золота с частицами различного размера в сопоставлении с данными реального эксперимента.

• Впервые удалось определить расстояние между наночастицами в агрегатах, возникающих на начальных стадиях быстрой коагуляции золей под действием индифферентного электролита. Детальный анализ спектрофотометрических данных (которые были получены в области ЛППР наночастиц) по коагуляции золей золота с привлечением сконструированной плазмонной линейки показал, что расстояние между частицами в образующихся димерах составляет 1.3-2.0 нм, т.е. прямой контакт между наночастицами золота не возникает при их столкновении. Полученные данные являются принципиально важными для надежного определения условий, при которых следует проводить расчеты полной энергии взаимодействия наночастиц золота, и природы сил, определяющих устойчивость золей.

• Использование рассчитанных коэффициентов экстинкции индивидуальных наночастиц золота и их димеров при анализе данных эксперимента по кинетике изменения оптической плотности золей на начальных стадиях быстрой коагуляции позволило определить константу скорости димеризации 46-нм частиц золота ((9.20 ± 1.34) × 10-12 см3/с).

• Результаты систематических исследований (метод UV-VIS-спектроскопии) влияния сывороточного альбумина на агрегативную устойчивость золей золота позволили спрогнозировать поведение наночастиц золота в крови человека. Надежность прогноза подтверждена прямыми исследованиями устойчивости золей золота, разбавленных выделенной из цельной крови сывороткой.

• Предложены новые подходы к формированию двумерных гексагонально упорядоченных ансамблей наночастиц металлов на подложках разной природы, основанные на сочетании метода блоксополимерной мицеллярной литографии с последующим доращиванием частиц в растворе, содержащем ионы металла и слабый восстановитель. Установлена взаимосвязь между структурой таких ансамблей (размером частиц и расстоянием между ними) и их плазмонными характеристиками. Обнаружен новый эффект немонотонного изменения положения полосы ЛППР по мере увеличения расстояния между частицами.

• Разработаны оригинальные коллоидно-химические методы формирования на наночастицах золота и серебра разных размера и формы «гибридных» оболочек из кремнезема, содержащих молекулы красителя, и установлена количественная взаимосвязь между плазмонными характеристиками частиц-ядер и флуоресцентными свойствами красителя в таких композитных наноструктурах.

• Предложен и успешно экспериментально апробирован новый подход к капсулированию дифильных функциональных соединений (лекарственных препаратов, ингибиторов коррозии и др.), основанный на использовании ассоциатов этих соединений в качестве темплата в золь-гель синтезе мезоструктурированных pH-чувствительных частиц-контейнеров из кремнезема. Получена количественная информация о емкости таких контейнеров, а также о кинетике высвобождения из них молекул темплата, и предложен механизм этого процесса. Продемонстрирована возможность использования частиц-контейнеров с капсулированным ингибитором коррозии для создания защитных покрытий.

• В экспериментах in vitro и in vivo выявлена возможность цитотоксического (мутагенного) действия ультрамалых наночастиц золота на мужские гаметы млекопитающих.

Новостная рассылка

Чтобы быть в центре событий, присоединяйтесь к нашим новостям.

Наши контакты

Вы можете задать интересующий вопрос, удобным для Вас способом.

  • Тел.: +7 495 955 44 87

МЫ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ

Подписывайтесь на нас и следите за жизнью института.

Поиск