Печать
Просмотров: 9637

Научная группа профессора А.И. Русанова

Обновлено

Научная группа кафедры коллоидной химии

Термодинамика, поверхностные и электроповерхностные свойства коллоидных наносистем

Состав научной группы

Руководитель научной группы

ch Rusanov AI

Русанов Анатолий Иванович

д.х.н., академик РАН, профессор, заведующий кафедрой коллоидной химии

А.И. Русанов — автор 777 статей и 11 монографий. Награжден Золотой медалью им. Д.И. Менделеева РАН за цикл работ «Термодинамика твердых поверхностей и механохимия».

Научные направления: разработка термодинамики наносистем, термодинамические и коллоидно-химические характеристики растворов поверхностно-активных веществ и мицеллярных систем.

Члены группы

ch Brodskaya EN

Бродская Елена Николаевна

доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник

Научные направления: структура и состояние наноразмерных систем, включая поверхностные слои флюидов и мицеллярные системы, в рамках статистической теории и компьютерного моделирования.

e.brodskaya@spbu.ru | elena_brodskaya@mail.ru

ch Ermakova LE

Ермакова Людмила Эдуардовна

доктор химических наук, профессор

Научные направления:

  1. Синтез и электроповерхностные свойства нанодисперсных моно- и композиционных оксидных материалов
  2. Равновесные и транспортные характеристики мембранных систем в растворах электролитов

l.ermakova@spbu.ru | ermakova3182@yandex.ru

ch Suhodolov NG

Суходолов Николай Геннадьевич

доктор химических наук, доцент

Научные направления:

  1. Пленки Ленгмюра-Блоджетт
  2. Разработка новых сорбентов

n.sukhodolov@spbu.ru

ch Vanin AA

Ванин Александр Александрович

кандидат химических наук, доцент

Научные направления:

  1. Методы Монте-Карло и молекулярной динамики
  2. Структура прямых и обратных мицелл
  3. Адсорбционные системы

a.vanin@spbu.ru

ch Volkova AV

Волкова Анна Валериевна

кандидат химических наук, доцент

Научные направления:

  1. Получение простых и композитных оксидных материалов (частиц, мембран, керамики)
  2. Электроповерхностные свойства и агрегативная устойчивость оксидных дисперсных систем

anna.volkova@spbu.ru

ch Ivanov NS

Иванов Никита Сергеевич

кандидат химических наук, доцент

Научные направления:

  1. Пленки Ленгмюра-Блоджетт
  2. Физико-химические свойства пленок Ленгмюра–Блоджетт, содержащих квантовые точки различной природы

n.ivanov@spbu.ru

Ассоциированные члены

ch Golikova EV

Голикова Евгения Викторовна

доктор химических наук

Научные направления:

  1. Агрегативная устойчивость нанодисперсных систем
  2. Золь-гель синтез оксидных наночастиц и керамических материалов

e-mail: golikova2319@rambler.ru

ch Jzukov AN

Жуков Анатолий Николаевич

доктор химических наук

Научные направления:

  1. Электроповерхностные явления в водных и неводных капиллярных и дисперсных системах
  2. Электрофорез пористых агрегатов и агломератов в гидрозолях

e-mail: zhuk@AZ1038.spb.edu

Аспиранты

Chernenko Maksim Konstantinovich

Черненко Максим Константинович

аспирант 4 года обучения

Тема работы: Получение и свойства электродных систем на основе пленок Ленгмюра-Блоджетт, содержащих наночастицы гексацианоферратов.

Цель работы: Получение и исследование пленок Ленгмюра-Блоджетт, содержащих наночастицы гексацианоферратов (ГЦФ) переходных металлов (железа, никеля, кобальта, меди). Электрохимическое исследование мультислоев наночастиц ГЦФ металлов, модифицированных ПАВ, нанесенных на проводящую подложку.

Gladchuk Aleksey Sergeevich

Гладчук Алексей Сергеевич

аспирант 2 года обучения

Тема работы: Физико-химические свойства пленок Ленгмюра-Блоджетт на основе биологически активных спиртов.

Цель работы: Выявление физико-химических закономерностей поведения биологически активных спиртов на поверхности водной субфазы. Полученные данные позволят разработать новые походы анализа данных веществ в биологических средах

Stepashkin Nikita Andreevich

Степашкин Никита Андреевич

аспирант 2 года обучения

Тема работы: Физико-химические свойства пленок Ленгмюра-Блоджетт, содержащих комплексы переходных металлов.

Цель работы: Получение монослойных структур, содержащих комплексы переходных металлов. Это открывает возможности создания ламилярных электрохимических систем и усиления каталитических свойств комплексов.

Kuznezova Anastasiya Sergeevna

Кузнецова Анастасия Сергеевна

аспирант 1 года обучения

Тема работы: Электроповерхностные характеристики стеклообразных пористых и кварцоидных материалов, модифицированных соединениями металлов

Цель работы: Установление закономер-ностей изменений электроповерхностных характеристик высококремнеземных нанопористых стекол и кварцоидов при модификации натриевоборосиликатных пористых матриц соединениями металлов (висмут, серебро, никель, цинк, олово).

Научная тематика группы

1. Разработка термодинамики наносистем. Термодинамические и коллоидно-химические характеристики растворов поверхностно-активных веществ и мицеллярных систем

Термодинамическое, кинетическое и молекулярное моделирование мицелл и процессов в мицеллярных системах Развитие термодинамики и кинетики мицеллообразования в неполярных средах. Формулировка закона действия масс для обратных мицелл. Исследование роли воды в процессах образования обратных мицелл. Изучение солюбилизации макромолекул в растворах поверхностно-активных веществ и мицеллярных системах (грант РФФИ 20-03-00641 2020-2022 «Развитие термодинамики и кинетики мицеллообразования в неполярных средах»).

2. Структура и состояние наноразмерных систем, включая поверхностные слои флюидов и мицеллярные системы, в рамках статистической теории и компьютерного моделирования

Компьютерное моделирование молекулярных систем методами молекулярной динамики и Монте-Карло для изучения их локальной структуры . Объектами исследования являются:

  1. мицеллярные растворы ионных и неионных ПАВ, прямые и обратные мицеллы;
  2. адсорбционные многокомпонентные двухфазные системы. Рассматривается изменение формы капель и молекулярной подвижности углеводородов в пористой среде.

При моделировании мицелл наиболее важной задачей представляется получение локальных электрических свойств, недоступных прямому экспериментальному наблюдению. Электрическое поле в случае сферических мицелл характеризуется более сложной структурой, чем в классическом случае двойного электрического слоя.

rusanov 01

Рис. 1. Электрическое поле вокруг прямой сферической мицеллы.

rusanov 02

Рис. 2. Обратные мицеллы: а) AOTNa-H2O-C8H18; б) +NaCl; в) (AOT)2Ca-H2O-C8H18; г) +CaCl2.

rusanov 03

Рис. 3. Распределение локального электрического потенциала в обратных мицеллах с AOTNa и AOT2Ca с добавлением соли и без добавления.

Второй проблемой при моделировании обратных мицелл является изучение зависимости солюбилюзации от молекулярной структуры солюбилизанта.азлисной

rusanov 041rusanov 042

Рис. 4. Обратная мицелла АОТ и локальные профили парциальных плотностей в системе вода-декан с пиридином.

При адсорбции смеси вода-углеводород в щелевидных порах в зависимости от состава смеси и адсорбционного поля образуются агрегаты различной формы, что определяет транспортные характеристики систем.

rusanov 05

Рис. 5. Шесть возможных типов агрегатов в несмачиваемой по отношению к одному компоненту смеси щели.

3. Электроповерхностные явления в макро- и нанодисперсных системах (структура двойного электрического слоя на границе раствор элекролита-диэлектрик, адсорбционные и электрокинетические характеристики дисперсных материалов)

Исследования посвящены экспериментальному и теоретическому изучению структуры двойного электрического слоя (ДЭС) на границе раздела твердое тело – жидкость (диэлектрик-раствор элекролита), адсорбционных и электрокинетических характеристик нанодисперсных материалов в растворах индифферентных и содержащих специфически сорбирующиеся ионы электролитов в широком диапазоне рН и ионной силы растворов, а также расчету электрохимических параметров межфазной границы: констант поверхностных реакций, адсорбционных потенциалов ионов и потенциалов ДЭС. В качестве объектов исследования служат как свободнодисперсные системы — водные дисперсии целого ряда простых (SiO2, Al2O3, CeO2, ZrO2, TiO2, Y2O3 и т.д.) и композиционных (сложные оксиды MgAl2O4, Y3Al5O12 и частицы по типу «ядро-оболочка» TiO2/SiO2, Al2O3/SiO2 и т.д.) оксидных наночастиц, так и связнодисперсные системы — капиллярно-пористые тела (высококремнеземные пористые стекла) и полимерные мембраны.

4. Агрегативная устойчивость нанодисперсных систем

Теоретическое и экспериментальное изучение устойчивости, процессов коагуляции и гетерокоагуляции свободнодисперсных оксидных систем в растворах электролитов, закономерностей объемных изменений в структурирующихся коллоидных наносистемах.

rusanov 06

Рис. 6. Коагуляция и гетерокоагуляция частиц в бинарной системе

Современные подходы к решению задачи создания новых материалов и новейшие технологии диктуют необходимость изучения коллоидно-химических свойств дисперсий оксидов, межчастичных взаимодействий, возможности регулирования и управления их поведением. Необходимо рассматривать не только фундаментальные «глубинные» характеристики материалов, но и их поверхностные и электроповерхностные свойства, т.е. изучать границу раздела фаз твердое тело – жидкость, поскольку именно ее состояние и свойства в значительной мере определяют действие тех или иных поверхностных сил, и как результат, свойства дисперсий.

Устойчивость и (гетеро)коагуляция водных дисперсий наночастиц относится к числу наиболее сложных и многогранных проблем, важных с точки зрения теории и практики. В частности, исследование кинетики коагуляции при изменении состава дисперсионной среды открывает возможности понимания механизма стабилизации и дестабилизации золей и определения механизмов направленного воздействия на контактные взаимодействия частиц и образование структур в концентрированных дисперсиях, что имеет огромное значение при получении устойчивых нанодисперсий частиц, современных высокоэффективных сорбентов, катализаторов, мебран, а также поликристаллической конструкционной и оптической керамики (например, с помощью золь-гель технологий).

Остро встает вопрос стабилизации смесевых дисперсных систем. Широко обсуждаются проблемы гетерокоагуляции и гетероадагуляции в связи с использованием этих процессов для получения гибридных наночастиц различного вида, в частности, частиц типа «ядро-оболочка», «малиноподобных» и полых частиц, композиционной поликристаллической керамики. Теоретические представления являются основой для предсказания агрегативной устойчивости как однокомпонентных, так и смесевых систем, и «управления» их свойствами при изменении состава дисперсионной среды. Актуальной задачей является изучение коагуляции гидрофильных золей и, тем более, бинарных систем, один из компонентов которых является лиофильным, которая, в отличие лиофобных коллоидов, практически не изучена.

5. Исследование равновесных и транспортных характеристик канальных наноструктур в растворах электролитов

Изучение равновесных (структурные параметры, заряд поверхности, электрокинетический потенциал) и транспортных (электропроводность, числа переноса ионов, фильтрационный потенциал) характеристик мембранных систем (главным образом, мембран из высококремнеземных пористых стекол (ПС) и композитов на их основе — см. далее) в растворах различных электролитов. Работы проводятся совместно с Институтом химии силикатов РАН.

6. Получение простых и композиционных оксидных материалов (наночастиц, мембран, керамики) методами золь-гель синтеза и молекулярного наслаивания

Золь-гель метод — это современный низкотемпературный и относительно дешевый метод получения современных материалов (наночастиц, покрытий, керамики) различного состава, морфологии и дисперсности, а также формы и размеров (в случае объемной керамики) при атмосферном давлении, дающий возможность «тонкого» контроля над химическим составом получаемого материала (рис. 7).

rusanov 07

Рис. 7. Принципиальная схема получения различных материалов, покрытий и порошков методами золь-гель технологии.

В настоящее время в лаборатории осуществляются работы по получению с использованием основ золь-гель технологии (рис. 8) поликристаллической конструкционной и оптической алюмооксидной керамики, ИАГ-керамики на основе иттрий-алюминиевого граната (Y3Al5O12) и АМШ-керамики на основе алюмомагниевой шпинели (MgAl2O4), имеющих важное прикладное значение (рис. 9), наряду с изучением их функциональных свойств.

ПАТЕНТ: Смирнов А.Н., Шарыпин В.В., Голикова Е.В., Волкова А.В. «Способ получения оптической нанокерамики на основе оксида алюминия». 2015 г.

rusanov 08

Рис. 8. Схема получения оксидной поликристаллической керамики из дисперсии наночастиц с помощью метода золь-гель синтеза.

rusanov 09

Рис. 9. Области применения поликристаллической керамики на основе оксида алюминия.

Метод молекулярного наслаивания из газовой фазы дает возможность синтезировать высокоорганизованные ультратонкие плёнки различного состава и функциональных свойств на поверхности подложки, задавая требуемую толщину покрытия количеством циклов проведенной реакции (рис. 10).

rusanov 10

Рис. 10. Схема нанопокрытий, сформированных методом молекулярного наслаивания.

В качестве матрицы для получения композиционных материалов (сорбентов, мембран, фотокатализаторов) в научно-исследовательских работах, проводимых в лаборатории, используются высококремнеземные пористые стекла различного состава и дисперсности (ПС — продукт химической проработки термообработанных щелочеборосиликатных стекол). При этом пористые стекла служат не только инертными подложками, но и сами являются прекрасными сорбентами и селективными мембранами, способными к регенерации.

rusanov 11

Рис. 11. Пластины и диски из пористых стекол

Перспективность использования ПС обусловлена как уникальным комплексом свойств: термической, химической и микробиологической устойчивостью, стабильностью свойств во времени, прозрачностью в оптическом диапазоне длин волн в сочетании с регулируемыми структурными характеристиками и большим объемом пор с разветвленной поверхностью, так и возможностью получения матриц различных геометрических форм (частицы, пластины, диски), что значительно расширяет область их применения.

Модифицирование пористых стекол осуществляется:

  • Добавлением модификатора в процессе изготовления исходного двухфазного стекла.

Так, например, получены ферромагнитные железосодержащие ПС (рис. 6) и исследованы их коллоидно-химические свойства в растворах электролитов (грант РФФИ 17-03-01011 «Получение и исследование структурных и электроповерхностных свойств ферромагнитных пористых стекол» (2017–2019), руководитель Л.Э. Ермакова). Пористые стекла, содержащие в своем составе фазу магнетита (Fe3O4), могут применяться в микроэлектроннике, при создании сенсорных устройств, спинтронике, в качестве магнитных мембран и сорбентов.

rusanov 12

Рис. 12. СЭМ изображение поверхности железосодержащего ПС с включениями магнетита (сферические области типа 1)

  • Модифицированием внешней и внутренней поверхности ПС с помощью методов молекулярного наслаивания, золь-гель технологии, химического осаждения из газовой фазы.

В качестве модификатора выбран диоксид титана (рис. 7), который обладает такими свойствами, как низкая токсичность, экономичность и высокая фотокаталитическая активность (исследования были начаты в рамках гранта РФФИ 14-03-01062 «Синтез, коллоидно-химические и фотокаталитические свойства композиционных оксидных наносистем «высококремнеземное пористое стекло - диоксид титана» (2014–2016), руководитель А.В. Волкова). Полученные композиты могут быть использованы в качестве нового типа разделительных мембран, сорбентов, фотокатализаторов.

rusanov 13

Рис. 13. СЭМ изображение пористого стекла, модифицированного оксидом титана.

  • Внедрением наночастиц и различных химических соединений в поровое пространство ПС.

Пропитка высококремнеземных пористых матриц солями различных металлов (галогениды серебра, соли олова, цинка и т.д.) с последующей дополнительной обработкой (температурной, лазерной и др.) является в настоящее время наиболее распространенным методом получения как пористых нанокомпозитов, так и кварцоидных наноструктурированных материалов. Полученные композиты могут быть использованы для фотоники, лазерной техники, оптического приборостроения, нанобиотехнологий, для создания сенсоров, в том числе биосенсоров, электродов для литиевых батарей, солнечных батарей, фотоприемных устройств (грант РФФИ 20-03-00544 «Электроповерхностные характеристики высококремнеземных пористых стекол и кварцоидов, модифицированных соединениями металлов» (2020–2022), руководитель Л.Э. Ермакова).

Исследование функциональных свойств полученных пористых стекол и композитов на их основе.

Изучение процессов сорбции органических и многозарядных неорганических ионов на полученных пористых сорбентах. Исследование фотокаталитических процессов разложения органических красителей в водной среде.

7. Пленки Ленгмюра-Блоджетт и разработка методов получения новых сорбентов на их основе

Метод получения пленок Ленгмюра-Блоджетт (ПЛБ) позволяет варьировать их свойства, меняя структуру полярной части амфифильной молекулы, состав монослоя, раствора (субфазы) и условия переноса на твердую подложку. Уникальность структур, получаемых по методу Ленгмюра-Блоджетт, обусловила их использование как в фундаментальных, так и в прикладных исследованиях. Пленки Ленгмюра-Блоджетт или системы, полученные путем диспергирования коллапсированных монослоев стеариновой кислоты, снятых с поверхности водной субфазы, содержащей ионы Fe(III), имеют поверхность, которая состоит преимущественно из ионов железа, надежно связанных с поверхностью твердого тела. Это дало возможность применить их в качестве металл-аффинных сорбентов высокой селективности и эффективности.

rusanov 14

Рис. 14.
Механизм получения пленок Ленгмюра-Блоджетт.

8. Физико-химические свойства пленок Ленгмюра–Блоджетт, содержащих квантовые точки различной природы

Представляет интерес получение ПЛБ, содержащих квантовые точки. Квантовые точки проявляют уникальные оптические и электронные свойства, которые делают их перспективным материалом для применения в самых различных областях от использования в оптоэлектроных устройствах до применения в качестве маркеров в химическом и имуноанализе. В частности, квантовые точки имеют узкие пики флуоресценции, положение которых зависит от размера нанокристаллов, широкие спектры поглощения, высокую фотостабильность. Получение тонких пленок с равномерным распределением квантовых точек позволит расширить область их применения.

rusanov 15

Рис 15. Экстракция квантовых точек поверхностно-активными веществами для получения пленок Ленгмюра-Блоджетт

Публикации

  1. Монография Русанов А.И., Щекин А.К. Мицеллообразование в растворах ПАВ. Изд. 2-е. дополненное. Изд-во Лань, 2016. 612 с.
  2. Volkova A.V., Ermakova L.E., Golikova E.V. Peculiarities of coagulation of the γ-Al2O3 hydrosol in NaCl solutions. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 516 (2017) 129–138.
  3. Vanin A.A., Brodskaya E.N. Simulation study of influence of component polarizability on the properties of the electric double layer of an ionic micelle. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects (2017) 522, 58–65.
  4. Kopanichuk I.V., Vanin A.A., Brodskaya E.N. Disjoining pressure and structure of a fluid confined between nanoscaleю. Colloids and Surfaces A(2017) 527, 42–48.
  5. Rusanov A.I. On the Problem of Determining Aggregation Numbers from Surface Tension Measurements. Langmuir. Volю 33, Is. 44. P. 12643-12650.
  6. Rusanov A.I., Shchekin A.K., Volkov N.A. Diffusion in micellar systems: theory and molecular modeling. Russian Chemical Reviews. Vol. 86 (2017). P. 567-588.
  7. Rusanov A.I. Theory of surfactant diffusion in micellar systems with variable aggregation numbers. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2018. Vol. 551. P. 158-164.
  8. Ermakova L.E., Kuznetsova A.S., Volkova A.V., Antropova T.V. Structural and electrosurface properties of iron-containing nanoporousglasses in KNO3 solutions. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2019. Vol. 576. P. 91-102.
  9. Rusanov A.I., Brodskaya E.N. Dispersion forces in nanoscience. Russian Chemical Reviews, 2019, 88 (8) 837 – 874.
  10. Kopanichuk I.V., Novikov V.A., Vanin A.A., Brodskaya E.N. The electric properties of AOT reverse micelles by molecular dynamics simulations. Journal of molecular liquids. 2019. Vol. 296.
  11. Kopanichuk I.V., Berezhnaya A.S., Sizova A.A., Vanin A.A., Sizov V.V., Brodskaya E.N. The shape of the liquid-liquid interface for oil/water mixtures in slit pores. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2020. Vol. 601. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2020.124884