ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ И НАУКИ О МАТЕРИАЛАХ
Химия и наука о материалах являются базисом для эффективного развития всех без исключения наук естественного профиля и различных отраслей промышленности, энергетики, сельского хозяйства, медицины и экологии. Очевидно, что развитие и интенсификация исследований в этой области естествознания призваны обеспечить устойчивое социально-экономическое развитие страны в ближайшей и отдаленной перспективе.
В Отделении сосредоточены ведущие ученые страны и имеется развитая инфраструктура, а также значительная материальная база в виде институтов, центров коллективного пользования, научно-образовательных комплексов и отдельных лабораторий. Это позволило, несмотря на ряд материально-техни-ческих и финансовых трудностей, получить за последнее время важные результаты.
Исследования в области теоретической химии, развития методологии органического и неорганического синтеза, новых методов физико-химических исследований касаются проведения комплексных эксперимен-тальных и теоретических исследований, позволяющих получать фундаментальные научные знания о химических превращениях и химических свойствах веществ, создавать новые химические процессы, технологии и перспективные материалы, включая наноматериалы. В качестве наиболее крупных достижений в этом направлении можно отметить следующие. Во-первых, создана общая методология синтеза нового оптоэлектронного наноматериала, превосходящего по интенсивности эмиссии и стабильности все известные аналоги. Синтезированные флуорофоры перспективны для создания сверхчувствительных наносенсоров для маркировки биомолекул, детектирования взрывчатых и наркотических веществ. Во-вторых, предложен и реализован новый принцип создания наноэлектро-механических систем («наномускул»), позволяющий разрабатывать стабильные и высокоэффективные молекулярные машины и переключатели. В-третьих, синтезированы кремнийорганические соединения и разработаны методы их самоорганизации, открывающие перспективы создания сложных микросистем с уникальными полупроводниковыми свойствами.
К числу достижений фундаментального характера можно также отнести теоретические исследования возможностей использования полимерных глобул в качестве нанореакторов, прогнозирование фазового поведения расплавов и растворов полимеров, открытие гиперактивирующего воздействия магнитных полей на спин-селективный катализ. На основе этих исследований разработан метод адресной доставки изотопов в клетки миокарда крыс, страдающих от медикаментозной гипоксии.
Современные проблемы химии материалов, включая наноматериалы, являются важнейшим направлением современного материаловедения. Исследования по этому направлению сосредоточены на разработке физико-химических основ получения композиционных, металлических, полимерных, керамических материалов, теории пластичности, прочности, синтезу фотопроводящих, фотохромных материалов, изучению самоорганизации наноструктурированных и пористых материалов и сорбентов. В этой сфере существенные результаты получены при создании новых алюминий-скандиевых лигатур, применение которых позволяет повысить эксплуатационные свойства особо прочных алюминиевых сплавов; разработке методов синтеза и направленного регулирования электронной структуры и магнитных свойств нанографенов и нанографитов; синтезе новых гетероциклических фульгидов и этенов, перспективных соединений для создания устройств оптической записи информации и ячеек памяти; создании высокоэффективных селективных органических флуоресцентных и фотопереключаемых хемосенсоров; разработке технологии получения активных кварцевых волоконных световодов, легированных висмутом, и проектировании волоконных лазеров, генерирующих оптическое излучение в новом спектральном диапазоне от 1300 до 1520 нм.
К числу достижений фундаментального характера можно также отнести разработку теоретических представлений о механизме высокотемпературного окисления металлов и создании на их основе технологий окислительного конструирования тонкостенной керамики; создание фотоэлектрических, нелинейно-оптических и фоторефрактивных полимерных композитов из поливинилкарбазола и комплексов фталоцианината рутения, высокие фоторефрактивные характеристики которых позволяют использовать их в медицинской диагностике и телекоммуникационных технологиях; создание на основе нанопористого сверхвысокомолекулярного полиэтилена биосовместимых нанокомпозитов с уникальными антифрикционными показателями, близкими свойствам природного состава; разработку метода формирования наночастиц палладия, платины и оксидов железа внутри гранул сверхсшитого нанопористого полистирола, и создание технологии получения эффективных магнитных сорбентов для глубокой очистки воды от токсичных веществ.
Следует подчеркнуть, что за 2008 г. существенные результаты получены и в области практического материаловедения. Так, с целью получения высокочистых монокристаллов кремния, разработаны методы синтеза, глубокой очистки и анализа моноизотопных силанов; для создания износостойких порошковых материалов разработана технология превращения фуллереновой фазы чугуна в частицы алмазной фазы. Создан новый высокопрочный сплав на основе системы Al-Zn-Mg-Cu-Zr, содержащий микродобавки серебра и скандия, и разработана технология изготовления из него кованых и прессованных полуфабрикатов деталей внутреннего силового набора перспективных самолетов. Применение нового сплава позволит повысить весовую эффективность конструкции на 10% и увеличить ресурс работы деталей перспективных самолетов в 1,5 раза.
На основе нанотехнологий созданы новые композиционные материалы: антифрикционные, вибропоглощающие и электроизоляционные, эксплуата-ционные характеристики которых улучшены в два-три раза. На их основе организовано производство узлов трения гидротурбин, судовых гермопроводов и опорных амортизирующих реле для главных силовых установок кораблей и подстанций городского электротранспорта.
К числу достижений фундаментального характера в области научных основ экологически безопасных и ресурсосберегающих химико-технологических процессов можно отнести следующие. Во-первых, синтез новых мономеров норборненового типа и разработку технологии получения на их основе поликарбосиленов – перспективных материалов для газоразделительных мембран. Во-вторых, создание металлоустойчивого катализатора крекинга мазута, который кроме цеолитного носителя, алюмооксидного связующего и структурного модификатора – глины, включает смешанный оксид магния-алюминия в качестве «ловушки» тяжелых металлов. В-третьих, разработку новых нанострукту-рированных металл-углеродных катализаторов дегидрирования углеводородов.
С использованием таких катализаторов достигнута 100-процентная конверсия циклогексана в бензол при 100-процентной селективности. В-четвертых, получение новых эффективных экстрагентов для гидрометаллургии, гальванических производств, технологии производства синтетических волокон, утилизации отработанных золотосодержащих электролитов гальванотехники, глубокого доизвлечения золота из сбросных растворов аффинажа.
С целью устойчивого и экологически безопасного функционирования термоядерного реактора ИТЭР проведен цикл модельных экспериментов по анализу процессов переноса и осаждения углеводородных радикалов. Найдены температурные условия подавления осаждения и ускоренной рекомбинации углеводородных радикалов в стационарном потоке разреженного газа, состоящем из смеси водород/углеводороды. Предложена конструкция теплового фильтра, способного существенно понизить накопление тритийсодержащих углеводородов в термоядерных реакторах.
Впервые выполнены исследования образцов геологического материала, отобранных из глубинного хранилища Сибирского химического комбината, свидетельствующие об удалении продуктов деления и актинидов на расстояние, не превышающее 100 м от нагнетательной скважины. Не обнаружено проник-новения радионуклидов и трития в вышележащие горизонты. Полученные результаты подтверждают безопасность геологического захоронения радиоактив-ных отходов для существующих глубинных хранилищ.
В части химических аспектов современной экологии и рационального природопользования, включая научные проблемы утилизации и безопасного хранения радиоактивных отходов, наиболее крупными достижениями являются: создание технология переработки отходов горнопромышленных производств Северо-Запада России; получение новых, не уступающих лучшим мировым образ-цам, сварочных материалов для строительства магистральных нефте- и газопрово-дов из хладостойких сталей повышенной категории прочности. Наноразмерность компонентов сварочных материалов и плавленых минеральных сплавов сущест-венно повышает качество сварных швов. Технология позволит обеспечить снижение экологического стресса на урбанизированных территориях региона Баренцева моря.
Впервые предложен простой и высокоэффективный способ получения мобиль-ных селективных сорбционных систем на основе природных алюмосиликатных материалов для дезактивации твердых сыпучих материалов;
Разработаны эффективные наноразмерные катализаторы с минимальным со-держанием благородных металлов (Pd, Ru), обладающие высокой эффектив-ностью и стабильностью в агрессивных средах. Катализаторы могут быть использованы в процессах уничтожения токсичных галогенсодержащих отходов
в мягких условиях. Все это позволит заменить дорогостоящие и опасные в технологическом отношении методы утилизации труднолетучих техногенных хлорсодержащих отходов, основанные на их сжигании в избытке нефтепродуктов, а также методы каталитического окисления, которые могут приводить к выделению диоксинов в окружающую среду.
Предложены высокоэффективные методы фракционирования высокоактивных жидких радиоактивных отходов, содержащих опасные радионуклиды урана, плутония, америция и др. актинидов. Разработаны новые минералоподобные матрицы для инкорпорирования радионуклидов, обеспечивающие долговременное хранение радиоактивных отходов.
Для мониторинга загрязнения радиоактивными продуктами территорий и мест захоронения отходов разработаны высокочувствительные и избирательные методы определения радионуклидов, а также предложены и апробированы математические модели, позволяющие надежно прогнозировать миграцию радиоактивных отходов в местах их захоронения.
Фундаментальные исследования в области химических аспектов энергетики сосредоточены на создании новых химических источников тока, разработке технологий получения топлив из ненефтяного и возобновляемого сырья, использовании новых сред в химической технологии (сверхкритические растворители, ионные жидкости), получении высокоэнергетических веществ и материалов. Следует подчеркнуть, что такие исследования тесно связаны с укреплением оборонного потенциала страны, поэтому необходимо принять безотлагательные меры по их поддержке.
В качестве наиболее крупных достижений по этому направлению можно отметить следующие. Во-первых, разработку технологии нитрования органических соединений в среде жидкого и сверхкритического диоксида углерода. При этом реализованы различные пути синтеза ранее неизвестных высокоэффективных энергоемких соединений в ряду нитропроизводных алифатических нитроалкилдиазеноксидов. Во-вторых, нитрамидирование природных аминокислот и спиртов путем взаимодействия N,N´-динитромочевины с глицином и борнеолом с получением перспективных компонентов для высокоэнергетических газогенерирующих составов, а также биологически активных веществ. В-третьих, разработку нового анодного катализатора, отличающегося высокой удельной активностью и стабильностью; улучшенного катодного катализатора, толерантного к этанолу, и высокоактивного наноразмерного катализатора, стабильного в реакции прямого электроокисления боргидрида натрия. Показана реальная возможность создания высокоэффективных автономных энергетических установок различного назначения. В-четвертых, создание новых эффективных ингибиторов, обеспечивающих подавление детонации водородо-воздушных смесей любого состава при повышенном начальном давлении (до 600 кПа) и различных способах инициирования. В-пятых, разработку нового подхода к использованию полиолов растительного происхождения, образующихся в производстве энергоносителей из возобновляемого сырья (биоэтанол, биодизель), в качестве оксигенатных компонентов высокооктановых топливных композиций. Показано, что наибольший октаноповышающий эффект достигается при использовании кеталей с эквимольным количеством спиртов. В-шестых, обеспечение, с помощью установки в трубе осесимметричного препятствия специальной формы (сопла), управляемого перехода ударной волны в детонацию в стехиометрической пропано-воздушной смеси при нормальных условиях при скорости ударной волны на входе в сопло выше 680 20 м/c. Многократные отражения ударной волны от стенок сопла приводят к детонационному взрыву, распространяющемуся со скоростью порядка 2 км/с. Полученный результат имеет важнейшее значение для разработки новых систем реактивного движения с детонационным сжиганием топлива и мощных импульсных детонационных горелок для отечественной промышленности.
Фундаментальные исследования, которые выполняются в рамках исследований химических проблем создания фармакологически активных веществ нового поколения, связаны с созданием антиоксидантных препаратов, так называемых «умных» полимеров, наноматериалов в качестве средств доставки лекарственных препаратов, формирования библиотек синтетических и природных биологически активных соединений, разработки методов молекулярного моделирования.
Существенные результаты получены в области создания новых водорастворимых органических и металлорганических доноров оксида азота, обладающих прямой противоопухолевой активностью и улучшенной биодоступностью. Разработаны новые специальные методы стереонаправленного построения гликозидной связи и превращения азидопроизводных сахаров. Созданы оригинальные широкопористые трехмерные подложки для культи-вирования животных (в том числе стволовых) клеток, что открывает широкие перспективы для проектирования биоинженерных конструкций животных тканей и искусственных органов. Также установлена противоопухолевая активность нового препарата барназа, являющегося термостабильным белком ферментом рибонуклеазы, полученного генноинженерным путем из клеток E.coli.
Разработана переносная система экспресс-анализа микроорганизмов социально-значимых и особо опасных инфекционных болезней людей и животных в полевых условиях методом полимеразной цепной реакции. Анализатор по чувствительности и времени анализа не уступает зарубежным приборам.
|
