Руководитель работы: д.х.н., профессор Колкер Аркадий Михайлович

Разработан алгоритм машинного обучения, способный предсказать, насколько хорошо глубокий эвтектический растворитель того или иного состава будет поглощать углекислый газ. Алгоритм включает несколько отдельных моделей, которые оценивают различные свойства жидкостей: химический состав, строение входящих в них молекул, параметры состояния и температуру плавления. Для обучения алгоритма использовали уже известные экспериментальные и литературные данные для 400 смесей.

Модель по химическому составу смеси с 90% точностью воспроизводит ранее установленную для нее опытным путем способность поглощать углекислый газ. Разработанный алгоритм применили для анализа еще не изученных эвтектических растворителей. Из более чем 94 тысяч потенциальных поглотителей модель выбрала 1447 вариантов смесей, компоненты которых связывали углекислый газ с эффективностью более 30 мольных процентов.

Makarov, D.M., Fadeeva, Y.A., Golubev, V.A., Kolker, A.M., Designing deep eutectic solvents for efficient CO2 capture: A data-driven screening approach, 325 (2023) Separation and Purification Technology (Q1, IF – 9,13), 124614. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.124614 

Руководитель работы: д.х.н., профессор, зав. лабораторией химической термодинамики МГУ Успенская Ирина Александровна

Разработан прототип российского программного комплекса (ПК) для расчетов фазовых и химических равновесий. В ядре ПК (Gibbs) запрограммированы наиболее востребованные термодинамические модели для расчетов фазовых диаграмм многокомпонентных систем, интересующих материаловедение. Создан консорциум ВУЗов и институтов РАН по разработке баз данных для нового ПК; налажено систематическое взаимодействие с IT-сферой и бизнес-партнерами из ИКЦ «Химия».

Руководитель работы: д.ф.-м.н, чл.-корр. РАН, профессор, зав. кафедрой СПбГУ  Щёкин Александр Кимович

Дождь и снег, пузырьки в бокале шампанского, дырки в сыре – это примеры явлений, к которым приводят процессы нуклеации и кавитации, т. е. процессы образования капелек и пузырьков. При этом образование капелек и пузырьков на твердых нерастворимых наночастицах может быть как желательным, так и недопустимым с точки зрения практической деятельности человека. Членом-корреспондентом РАН профессором СПбГУ А.К. Щёкиным представлен авторский обзор теоретических результатов по исследованиям термодинамических и структурных характеристик (химического потенциала, работы образования, поверхностного натяжения, расклинивающего давления, профилей плотности) капелек и пузырьков вокруг наноразмерных твердых сферических частиц, как электрически заряженных, так и нейтральных, в рамках феноменологического термодинамического подхода, а также с использованием различных вариантов метода функционала молекулярной плотности.

Руководитель работы: член-корреспондент РАН, д.х.н. Б. Г. Ершов

Впервые выполнены расчеты восстановительных потенциалов атомов переходных металлов Mn, Fe, Co, Ni, Cu и Zn. Их свойства и, прежде всего, восстановительные потенциалы, важны для понимания механизма окислительно-восстановительных процессов с их участием в химии и биологии, а также для оптимизации технологических процессов. Е⁰(M²⁺/M⁰) атомов Mn, Fe, Co, Ni, Cu и Zn рассчитаны из их стандартных электродных потенциалов в воде за вычетом стандартной молярной энергии Гиббса образования атомов в газовой фазе Δ_fG⁰(M_gas⁰) и энергии их гидратации в растворе Δ_fG⁰(M_aq⁰). Потенциалы равны -2.503 В для Mn⁰, -2.454 В для Fe⁰, -2.333 В для Co⁰, -2.335 для Ni⁰, -1.291 В для Cu⁰ и -1.335 В для Zn^0. То есть, потенциалы атомов примерно на 2.0 В смещены в отрицательную область по сравнению с потенциалами этих металлов в форме компактных электродов и обладают выраженным свойством очень сильных восстановителей. Показано, что реакция дисмутации ионов M⁺ с образованием атома M⁰ термодинамически выгодна в объеме раствора только для цинка. При переходе от атомно-молекулярного состояния к компактному металлу активность атомов и их кластеров снижается и изменяется специфика реакций.

Ershov B. G. Estimation of the reduction potential of transition metal atoms in aqueous solutions // Journal of Molecular Liquids. — 2023 — P. 123129. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2023.123129

Руководитель работы: заведующий лабораторией электронно-лучевой конверсии энергоносителей д.х.н. А. В. Пономарев

Впервые доказано, что электронно-лучевая обработка мутагенных органических соединений с сопряженными связями приводит к полному устранению мутагенности. Для окрашенных соединений снижение окраски, токсичности и мутагенности происходит параллельно и состоит из одной, радиолитической, стадии, что привлекательно при использовании в крупнотоннажной очистке сточных вод. На сегодня это единственный практический способ необратимого устранения мутагенности. Вследствие малой концентрации красителя, его радиолитические превращения происходят по механизму косвенного действия излучения, т.е. в реакциях с радикалами, генерируемыми за счет радиолиза воды. Исходный раствор Е124 проявляет мутагенную активность (Рис.). В присутствии активирующей фракции S9 печени крысы, Е124 вызывает мутации в двух протестированных штаммах, ТА98 и ТА100. Однако электронно-лучевая обработка раствора Е124 при дозе 1.5 кГр снижает его мутагенную активность до уровня спонтанного мутагенеза.

Ponomarev A. V., Kholodkova E. M., Zotova I. V., Shumega A. R., Stepchenkova E. I. Radiolytic Inactivation of Ponceau 4R Mutagenicity in Aqueous Solution. // High Energy Chem. – 2023 -Vol. 57 -P. 454–456. https://doi.org/10.1134/S0018143923050119

Руководитель работы: д.ф.-м.н. Малкин Александр Игоревич

Разработан принципиально новый высокоэффективный метод активации предпламенного окисления и горения алюминия, основанный на внедрении в объем частиц алюминия газообразующих промоторов высокотемпературного окисления и горения путем механического легирования и включает синтез сфероидальных нанопористых агрегатов в эмульсионной размольной среде.

Выполнено в рамках Госконтракта от 02.04.2021 № 2941/БМ-5/2021.

Руководитель работы: д.х.н., профессор РАН Калинина Мария Александровна

Ученые из лаборатории биоэлектрохимии ИФХЭ РАН создали переключаемый мультифункциональный фотокатализатор для очистки сточных вод и борьбы с бактериями. Это первый гибридный «умный» фотокатализатор фотокатализатор на основе порфиринов и однослойных двумерных наночастиц дисульфида молибдена, полученный методом нековалентной самосборки. Материал способен к управляемому переключению между разными режимами работы и генерирует разные по составу активные частицы при изменении длины волны облучения. Благодаря этой способности он с 90-процентной эффективностью разрушает токсины в сточных водах химических производств и подавляет рост бактериальной флоры в 11 раз быстрее существующих аналогов, при этом не повреждая окружающий материал. Такие фотокатализаторы можно добавлять в покрытия помещений медицинских учреждений, для которых антибактериальная среда имеет принципиальную важность. Полученный результат – существенный шаг в области синтеза «зеленых» фотокатализаторов, позволяющий снизить нагрузку на окружающую среду за счет уменьшения затрат на производство и возможности повторного применения компонентов отработанных материалов.

Maxim R. Sokolov, Konstantin A. Tumbinskiy, Ekaterina A. Varlamova, Alexey A. Averin, Andrey V. Shkolin, Maria A. Kalinina. ACS Applied materials and Interfaces (Q1, IF 10.38). https://doi.org/10.1021/acsami.3c11698.

Ссылки на интернет-ресурсы:

https://rg.ru/amp/2023/11/27/poriadok-bet-iady.html

https://indicator.ru/chemistry-and-materials/umnyi-fotokatalizator-razrushil-zagryazniteli-stochnykh-vod-s-pomoshyu-solnechnogo-sveta-vsego-za-polchasa-16-11-2023.htm

https://inscience.news/ru/article/russian-science/14760

Руководитель работы: д.х.н. Бирин Кирилл Петрович

Ученые лаборатории новых физико-химических проблем ИФХЭ РАН разработали способ конструирования гибридных материалов на основе наноструктурированного оксигидроксида алюминия и порфирина. В новом материале молекулы порфирина, благодаря наличию специальной якорной группы, распределены преимущественно по поверхности неорганической матрицы, что открывает широкие перспективы для использования этого материала в каталитических процессах. Результаты исследования опубликованы в ведущем профильном журнале.

Stepan M. Korobkov, Kirill P. Birin, Anatole N. Khodan, Oleg Yu. Grafov, Yulia G. Gorbunova and Aslan Yu. Tsivadze. Nanostructures Aluminum Oxyhydroxide – A Prospective Support for Functional Porphyrin-Based Materials. International Journal of Molecular Sciences, 2023, 24, 12165. https://doi.org/10.3390/ijms241512165

Руководитель работы: д.х.н., профессор Арсланов Владимир Валентинович

Впервые проведены сравнительные исследования ленгмюровских монослоев бинарных и тройных (с холестерином) смесей неионогенных ПАВ (планарные системы) и ниосомальных наноструктур, собранных из тех же материалов. Показано, что системы, демонстрирующие высокую совместимость неионогенных ПАВ в монослоях, формируют ниосомы повышенной стабильности. На основании этого результата предложен новый термодинамический критерий, который, наряду с параметром упаковки и ГЛБ ПАВ, позволяет оптимизировать составы везикулярных структур и предсказывать их свойства.

Arslanov, V. V., Ermakova, E. V., Krylov, D. I., Popova, O. O. On the relationship between the properties of planar structures of non-ionic surfactants and their vesicular analogues–Niosomes. Journal of Colloid and Interface Science, 2023, 640, 281-295. http://dx.doi.org/10.1016/j.jcis.2023.02.110

Руководитель работы: д.х.н. Дементьева Ольга Вадимовна

Учеными лаборатории поверхностных явлений в полимерных системах установлено, что в кислородсодержащих средах НЧ Au могут промотировать образование активных форм кислорода, что приводит к повышению их радиосенсибилизирующего действия. На примере вируса табачной мозаики показано, что воздействие рентгеновского излучения в дозе 4 и 7 кГр на предварительно обработанные НЧ Au вирионы снижает инфекционную активность последних в 15 и 22 раза соответственно, тогда как в отсутствие частиц активность вирионов снижается лишь в 1.9 и 2.7 раза. НЧ Au усиливают повреждение как капсидного белка, промотируя образование активных форм кислорода, так и геномной РНК вследствие испускания ими вторичного излучения. Результаты опубликованы в престижном профильном журнале.

N.A. Nikitin, M.V. Arkhipenko, O.V. Dement’eva, M.E. Kartseva, E.M. Shishmakova, E.V. Sanochkina, E.S. Shiryaeva, M.A. Kolyvanova, A.V. Belousov, V.M. Rudoy, V.I. Feldman, O.V. Karpova, V.N. Morozov / Increased Efficiency of Radiation Inactivation of Virions by Gold Nanoparticles // Part. Part. Syst. Charact. 2022. 2200074. http://dx.doi.org/10.1002/ppsc.202200074

Руководитель работы: заведующий лабораторией сорбционных процессов д.ф.-м.н. Фомкин Анатолий Алексеевич

На фото: разрезы заполненного топливного баллона адсорбированного природного газа (АПГ) формованным адсорбентом высокой плотности и помещенным в плоский адсорбер для автомобиля «ЛАДА-Веста»; образец адсорбционного газового терминала ПАО «Газпром» для снабжения удаленных потребителей адсорбированным природным газом (вверху), испытания на промышленной площадке (внизу).

Синтезированы новые высокоактивные активированные угли и металлорганические каркасные структуры (МОКС) для энергонасыщенных адсорбционных систем (ЭНАС). Адсорбенты разработаны в рамках контрактных работа для ПАО «Газпром», ООО «Газпром нефть», ПАО «Автоваз»:
- адсорбционных аккумуляторов природного газа метана для двигателей внутреннего сгорания отечественных автомобилей;
- адсорбционного газового терминала для удаленных потребителей;
- проекта адсорбционного газового хранилища для сезонных потребителей;
- проекта газозаправочных (метановых) станций низкого давления для городов;
- проекта метан-водородных ЭНАС (аккумулирование, транспортировка, применение) для систем низкоуглеродной энергетики с низким парниковым эффектом;
- проекта по выделению важных легких газов из природного газа – этана, пропана, бутана, для газовой химии, полиэтилена, полипропилена, производных бутана.

Руководитель работы: д.х.н., профессор Кулова Татьяна Львовна

Разработана новая электрохимическая система для натрий-ионных аккумуляторов, основанная на использовании композита марганце-железофосфата натрия (NaFe_0.5Mn_0.5PO₄) в качестве активного материала положительного электрода, и волокнистых наноструктур германия в качестве активного материала отрицательного электрода. Практическая удельная энергия лабораторного макета в расчете на массу активных материалов составила 245 Втч/кг, что является высоким показателем для натрий-ионных аккумуляторов. Предложенная новая электрохимическая система представляет собой перспективную основу для существенного усовершенствования натрий-ионных аккумуляторов.

Kudryashova Yu.O., Gavrilin I.M., Kulova T.L., Novikova S.A., Skundin A.M. NaFe_0.5Mn_0.5PO₄ – Ge electrochemical system for sodium-ion batteries. // Mendeleev Communications. ‒ 2023. ‒ Vol. 33. ‒ P. 318-319. http://dx.doi.org/10.1016/j.mencom.2023.04.006.

Авторский коллектив: Е.Г. Калинина, Д.С. Русакова, К.С. Шубин, Л.В. Ермакова, Е.Ю. Пикалова

Достигнуто увеличение напряжения разомкнутой цепи (OCV) на ячейках твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) при формировании тонкопленочных мембран диоксида церия, допированного самарием (SDC, Ce_0.8Sm_0.2O_1.9), модифицированных добавками оксидов кобальта, титана и алюминия, на несущих пористых анодных подложках на основе NiO-BaCe_0.8Sm_0.2O₃ (BCS) методом прямого электрофоретического осаждения. Показано формирование композитной структуры BCS/SDC при спекании (1450°С), что обеспечило эффект блокирования электронного тока утечки в SDC электролите за счет образования фазы BaCeO₃, которая блокирует электронную проводимость электролита SDC со стороны анода ячейки ТОТЭ. Электрохимические испытания элементов в режиме ТОТЭ показали высокие значения НРЦ 1060-920 мВ при температурах 650–750°C.

Elena G. Kalinina, Darya S. Rusakova, Kirill S. Shubin, Larisa V. Ermakova, Elena Yu. Pikalova, CeO₂-based thin-film electrolyte membranes for intermediate temperature SOFCs: Direct electrophoretic deposition on the supporting anode from additive-modified suspensions, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 48. Iss. 59. p. 22559-22572 (2023).

Разработаны новые средства ингибиторной защиты стальной арматуры в бетоне

Руководитель работы: д.х.н. Андреев Николай Николаевич

Разработан универсальный ингибитор коррозии стальной арматуры в бетоне – ИФХАН-80. Разработка защищена патентом. Лицензия на производство препарата продана ООО «ИФХАН», где организовано его промышленное производство. ИФХАН-80 обеспечивает контактную защиту арматуры железобетонных изделий в жестких коррозивных условиях тропиков (Вьетнам), а также в бетонах с высоким содержанием хлоридов. Представлен внешний вид арматурных стержней после 44 месяцев экспозиции железобетонных образцов с 3% хлорида натрия в тропиках.

I.A. Gedvillo, A.S. Zhmakina, N.N. Andreev, S.S. Veselyi, V.A. Karpov, D.S. Mikurov, Field tests of the efficiency of the corrosion inhibitor IFKhAN-80 for reinforcement steel in concrete under tropical conditions. 1. Contact protection. Int. J. Corros. Scale Inhib., 2023, 12, no. 4, 1408-1416. http://dx.doi.org/10.17675/2305-6894-2023-12-4-3

Руководитель работы: д.х.н., профессор Кузнецов Юрий Игоревич

Альтернативой использованию фторсодержащих соединений при получении супергидрофобных (СГФ) покрытий на поверхности алюминиевого сплава Д16 являются доступные, нетоксичные, относительно дешёвые высшие карбоновые (лауриновая, тридекановая и стеариновая) и фосфоновые (додецилфосфоновая и октадецилфосфоновая) кислоты. СГФ покрытия на поверхности сплава Д16 получают после лазерной обработки, формирующей ее равномерно-неоднородную шероховатую структуру. Обработка текстурированной поверхности сплава в этанольных растворах органических кислот (60 мин) приводит к ее супергидрофобизации. СГФ слои, формируемые на сплаве Д16, устойчивы в условиях промышленной городской атмосферы. На образцах с СГФ покрытием стеариновой кислотой первые локальные коррозионные поражения видны через 18 мес. испытаний. Для покрытия октадецилфосфоновой кислоты за 24 мес. испытаний, видимые коррозионные поражения на образцах не обнаружены, что свидетельствует о высокой защитной способности.

Исследование выполнено в рамках договорных работ.

Формирование композиционных слоев на основе тугоплавких металлов и соединений с комплексом заданных свойств

Руководитель работы: заведующий лабораторией гетерогенного синтеза тугоплавких соединений, к.х.н. Душик Владимир Владимирович

Электронные вакуумные приборы (ЭВП) – устройства для генерации, усиления и преобразования электромагнитной энергии, в которых рабочее пространство освобождено от воздушной атмосферы. Мощные ЭВП СВЧ диапазона имеют дело с высокими тепловыми нагрузками, приводящими к их разрушению по причине оплавления материала в рабочей зоне. ИФХЭ РАН совместно с АО НПП «ИСТОК» им. Шокина разработали и внедрили в производство технологию нанесения вольфрамового CVD покрытия для коллекторов мощных электронных вакуумных приборов СВЧ диапазона, выполняющего роль теплозащитного эрозионностойкого слоя. При разработке покрытия были учтены технические требования, предъявляемые к изделию, в том числе толщина и локализация покрытия по внутренней поверхности прибора, стойкость к тепловой нагрузке, термическим циклам и отсутствие деформации изделия вследствие различия коэффициентов термического расширения материалов покрытия и подложки.

Опыт и перспективы использования низкотемпературного химического осаждения из газовой фазы вольфрама и его соединений для улучшения эксплуатационных свойств изделий / В.А. Смирнов, А.Н. Пашков, С.А. Вашин, В.В. Душик, А.А. Шапоренков, С.В. Евсеев // Труды 30-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «ВАКУУМНАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ - 2023», 20-22 июня 2023 г. Санкт-Петербург, 2023, С. 190-193.

Российские стоматологические композиты

Руководитель работы: заведующий лабораторией структурно-морфологических исследований, к.х.н. Шапагин Алексей Викторович

В рамках реализации программы Правительства РФ по импортозамещению проведены исследования многокомпонентных отверждающихся высоконаполненных нанодисперсных композиций и разработаны стоматологические пломбировочные материалы не уступающие, а по ряду характеристик превосходящие композиционные материалы ведущих мировых производителей. Ученые провели исследования двух десятков стоматологических композиционных и вспомогательных материалов с целью идентификации индивидуальных веществ и принципов технологических процессов получения композиций. По результатам анализа были разработаны материалы на основе многокомпонентных акриловых фотоотверждаемых связующих до 80 масс.% наполненных оксидами кремния, циркония и прочими нанодисперсными частицами. Полученные высокие прочностные, сорбционные и адгезионные свойства стоматологических материалов являются прямым следствием разработанной технологии смешения компонентов и аппретирования минеральных нанопорошков.

Работа выполняется по заказу компании МЕГАДЕНТ.

От прочности в системе «моноволокно-матрица» к композитному крылу самолета

Руководитель работы: заведующий лабораторией структурно-морфологических исследований, к.х.н. Шапагин Алексей Викторович

Для исследователей и производителей композиционных материалов, волокнистых армирующих наполнителей, аппретирующих составов и изделий на их основе разработан и запатентован метод Drop-Sting test на основе которого создана лабораторная установка для исследования адгезионной прочности элементарных ячеек полимерных композиционных материалов.

В основу принципа измерения адгезионной прочности в системе «моноволокно–матрица» заложено контролируемое погружение моноволокна в связующее на глубину 20-60 мкм в зависимости от прочности моноволокна, отверждение связующего и извлечение моноволокна с получением деформационно-прочностной кривой. Дополнительно установка позволяет определять энергетические характеристики сверхтонких моноволокон (5 мкм) по методу Зисмана при использовании тестовых жидкостей с широким диапазоном поверхностных натяжений.

По методике Drop-Sting test определяются истинные характеристики системы «моноволокно-матрица», исключая технологические факторы пропитки и погрешности связанные с дефектами моноволокон в жгутах.

Фазовые равновесия для прогнозирования свойств материалов

Руководитель работы: заведующий лабораторией структурно-морфологических исследований, к.х.н. Шапагин Алексей Викторович

На примере эпоксидных трехкомпонентных связующих модифицированных полисульфоном, активным разбавителем и отвержденных высокотемпературным диаминодифенилсульфоном апробирована методика прогнозирования фазовой структуры и, как следствие, эксплуатационных свойств многокомпонентных материалов.

В основу методики заложены комплексные исследования фазовых равновесий и диффузионной подвижности исходных систем и эволюции фазовых диаграмм в процессе отверждения. Полученные экспериментально и рассчитанные из теории полимерных растворов Флори-Хаггинса критические параметры многокомпонентной системы и их изменение с ростом степени конверсии позволяют прогнозировать фазовую структуру и тем самым кратно сократить огромный массив эмпирических рутинных исследований в производственном процессе разработки новых материалов.

Руководитель работы: к.х.н. Шолохова Анастасия Юрьевна

Сотрудниками лаборатории физико-химических основ хроматографии и хромато-масс-спектрометрии ИФХЭ РАН был разработан комплексный подход для анализа сложных смесей органических соединений с помощью хромато-масс-спектрометрии и машинного обучения. Проблема определения структуры неизвестных молекул в сложных смесях без их препаративного выделения является актуальной задачей физической и аналитической химии. Обычно для этого используется хромато-масс-спектрометрия, однако без использования «умных» алгоритмов этот метод, в большинстве случаев, позволяет лишь весьма ненадежно предположить структуру. Применение методов искусственного интеллекта позволило существенно повысить точность построения структуры. Впервые был разработан комплексный подход, использующий несколько методов хромато-масс-спектрометрии и машинное обучение на всех этапах анализа. Это дало возможность выявить новые токсичные соединения в образцах индустриального происхождения. Программное обеспечение с графическим интерфейсом пользователя для предсказания масс-спектров и индексов удерживания и удобного сравнения наблюдаемых и предсказанных величин доступно онлайн: https://github.com/mtshn/svekla.

Sholokhova A. Y., Matyushin D. D., Grinevich O. I. et al. Intelligent workflow and software for non-target analysis of complex samples using a mixture of toxic transformation products of unsymmetrical dimethylhydrazine as an example. // Molecules. — 2023. — Vol. 28, no. 8. — P. 3409. http://dx.doi.org/10.3390/molecules28083409