Научные направления кафедры аналитической химии

Методы создания и анализа УФ-протектных и фотоактивных композитных материалов на основе нанокристаллического кремния и карбида кремния

Руководитель темы: д.х.н., проф. А.А. Ищенко. Состав научной группы: чл.-корр. РАН, проф. Стороженко П.А. (ФГУП ГНИИХТЭОС); к.х.н. Ерохин Е.В., д.х.н., проф. Зубов В.П., с.н.с., к.т.н. Ольхов А.А., в.н.с., к.ф.-м.н. Перов А.А. (МИТХТ имени М.В. Ломоносова); с.н.с., к.ф.-м.н. Кононов Н.Н. (ИОФ РАН имени А.М. Прохорова); с.н.с., к.х.н. Дорофеев С.Г. (Хим. ф-т МГУ имени М.В. Ломоносова); д.ф-.м.н., проф. Баграташвили В.Н., к.ф.-м.н. Свиридов А.П. (ИПЛИТ РАН); в.н.с., к.ф.-м.н. Рыбалтовский А.О. (НИИЯФ МГУ имени М.В. Ломоносова); в.н.с., д.х.н., проф. Радциг В.А. (ИХФ РАН имени Н.Н. Семёнова).

Одной из задач современной аналитической науки является разработка методов анализа, учитывающих особенности наноразмерных объектов и материалов на их основе. Это находит отражение в появлении новой области этой науки – наноаналитики.

Причины особенностей нанообъектов связаны с существенным отличием их свойств от свойств объемного материала и объясняются наличием у них сильнейшим образом развитой относительной площади поверхности, а также квантовыми эффектами, проявляющимися из-за размерных ограничений. Эти факторы могут изменять реакционную способность, оптические, электрические и магнитные характеристики наноструктур.

Модель наночастицы кремния Si29H24 (слева) и диаграмма, показывающая уменьшение ширины запрещённой зоны при переходе от кластера Sin (< 1 нм) к наночастице и к объёмному полупроводнику.

Целью работы является разработка методов получения и анализа состава, оптических, структурных и физико-механических характеристик УФ-протектных и фотоактивных композитных материалов и покрытий на основе нанокристаллического кремния и карбида кремния - устойчивых коллоидных растворов, эмульсий, органо-неорганических полимерных гидрогелей, тонких гибридных полимерных плёнок, защитных покрытий на поверхности конструкционных материалов. Проводятся исследования, направленные на создание гибридных гидрогелей для инкапсулирования различных биологически-активных веществ и их контролируемого выделения. Изучается влияние эффектов размерного квантования и спектрально-структурных корреляций на изменение оптических свойств композитов, включающие влияние примесей, образующихся при хранении материалов в атмосфере воздуха. Проводятся измерения зависимости коэффициента поглощения и тензора анизотропии рассеяния света от плотности мощности падающего излучения; перераспределения энергии электронных возбуждений в колебательную энергию нанокристаллов. Изучается механизм образования и распределения примесей углерода при комнатной температуре и отжига в атмосфере воздуха, кислорода и восстановительных сред.

Схема получения фотолюминесцентных (ФЛ) гидрофильных частиц нанокремния. Для биомедицинских применений важным фактором является нетоксичность нанокремния, в отличие от многих других ФЛ наночастиц, например, широко исследуемых полупроводниковых квантовых точек на основе CdSe(Te). Здесь особо востребованы гидрофильные биосовместимые наночастицы с интенсивной ФЛ в красной и ближней инфракрасной области спектра, где клеточные структуры, био-ткани и био-материалы наиболее прозрачны.

Полученные результаты позволяют оптимизировать параметры, определяющие функцию распределения размеров наночастиц кремния, что, в свою очередь, дает возможность сделать направленный выбор конкретного спектрального диапазона, в пределах которого композит эффективно поглощает УФ-излучение, а также оптимизировать выбор химического состава матрицы композита с целью стабилизации поверхностных состояний наночастиц кремния для предотвращения их возможной деградации, включая фотодеградацию при длительном воздействии УФ-излучения. Проводится изучение физико-механических свойств полученных тонкоплёночных покрытий и гибридных полимерных плёнок. Разрабатываются физико-химические принципы коррелятивной технологии создания нанокомпозитов с заданными спектральными свойствами на примере нанокристаллического кремния, инкапсулированного в оболочку диоксида, нитрида и оксинитрида кремния, устойчивых при высоких температурах и большой мощности УФ-излучения.

Спектр пропускания нанокристаллического кремния (слева) и схема поглощения УФ излучения солнцезащитными материалами на основе нанокремния (справа).

Работа была представлена на Международных выставках: «VI Московском Международном Салоне Инноваций и Инвестиций», где была награждена золотой медалью (Москва, 2006); VIII Международном форуме "Высокие технологии XXI века", (Москва, 2007), 8-ой Специализированной выставке "Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК", (Москва, 2007), 8-ой Международной специализированной выставке "Аналитика Экспо", доклад на семинаре “Аспекты применения технологий наноиндустрии в химической промышленности”, (Москва, 2008).