2021

Важнейшие достижения 2021 года

Важнейшие научные результаты, полученные ФИЦ ХФ РАН в 2021 году и итоги реализации Программы фундаментальных научных исследований в 2021 году.

            1. Управление взаимодействием СО с наночастицами Cu электрическим полем

Адсорбцию CO на окисленной поверхности наночастиц Cu изучали в присутствии электрического поля с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Наночастицы синтезированы на поверхности графитовой подложки методом пропитки. Химический состав их поверхности определен как смесь оксидов Cu2O, Cu4O3 и CuO. Во время экспозиции в СО к вакуумному зазору между образцом и заземленным зондом СТМ прикладывались разности потенциалов ΔV = +1 или -1 В. Таким образом, система зонд СТМ - поверхность образца образовывала асимметричный конденсатор, внутри которого существовало неоднородное электрическое поле. Адсорбция СО сопровождалась частичным восстановлением наночастиц. Скорость восстановления зависела от направления электрического поля: она значительно возрастала при отрицательной разности потенциалов и снижалась при положительной. Этот эффект обусловлен ориентацией молекулы СО в электрическом поле асимметричного конденсатора. Размер наночастицы является ключевым фактором, влияющим на процесс адсорбции из-за величины электрического поля вблизи поверхности наночастицы. Таким образом, предложен простой способ управления химическими процессами с участием наночастиц.

Поверхность графита с нанесенными наночастицами меди.

Спектроскопические зависимости, измеренные в СТМ, для участков поверхности наночастиц меди различного элементного состава состава:

1 – беспримесная медь, 2 – смесь CuO и Cu4O3, 3 – Cu2O, 4 – Cu2O на дефекте подложки-графита. Стрелками показаны границы запрещенной зоны для кривых.

Авторы: Андрей Гатин, Максим Гришин, Надежда Дохликова, Сергей Озерин, Сергей Сарвадий, Борис Шуб. Работа опубликована в журнале Nanomaterials. - 2021. - V. 11. – P. 279. DOI: 10.3390/nano11020279

2.СФЕРИЧЕСКОЕ ДИФФУЗИОННОЕ ПЛАМЯ В КОСМИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ «АДАМАНТ»

Совместный космический эксперимент (КЭ) Роскосмоса и NASA Flame Design (Адамант) – один из шести экспериментов, проводимых в настоящее время на МКС в модуле Destiny в рамках проекта ACME (перевод: «Продвинуться в понимании горения с помощью экспериментов в условиях микрогравитации»). Цель КЭ — экспериментальное и теоретическое изучение фундаментальных механизмов управления сажеобразованием в сферическом диффузионном пламени, формируемом вокруг пористой сферы, и радиационного погасания пламени в условиях микрогравитации. Объекты исследования –пламена газообразного этилена в атмосфере кислорода с добавками азота при нормальных условиях (рис. 1, 2). Результаты КЭ используются для проверки физико-математических моделей явления, включающих сокращенные и детальные кинетические механизмы окисления и горения этилена, сажеобразования, свойства переноса в многокомпонентной газовой смеси, а также конвективный и кондуктивный теплообмен и теплообмен излучением. При выполнения проекта получены новые знания о физике и химии диффузионных пламен, которые помогут в решении задач управления горением и снижения вредных выбросов при горении на Земле и в космосе. В 2021 г. российский коллектив проекта разработал трехмерную нестационарную модель явления и вычислительный алгоритм, а также провел расчеты более 40 пламен, исследованных экспериментально на МКС. Сравнение расчетов с экспериментами показало (рис. 3), что модель правильно описывает все наблюдаемые особенности диффузионного горения в условиях микрогравитации, включая сажеобразование и радиационное погасание.



(а)

(б)

(в)

Рис.1 Международная космическая станция

Рис. 2Бессажистое (а) и сажистое (б) диффузионные пламена,

атакже агломераты частиц сажи вс) при горении этилена в воздухе вокруг пористой сферы



Рис. 3 Расчетные (кривые) и экспериментальные (точки) зависимости температуры (а) и радиуса (б) пламени при радиационном погасании в условиях микрогравитации; расход этилена через пористую сферу2,52 мг/с, состав газа вокруг сферы: 37%О2+63%N2

Авторы: Фролов С. М., Медведев С. Н., Фролов Ф. С. Сферическое диффузионное пламя этилена в космическом эксперименте «Адамант». Горение и взрыв, 2021, том 14, № 1, с. 9-21 (DOI: 10.30826/CE21140102).

3.АРХИТЕКТУРА КОНДЕНСИРОВАННОЙ ДНК В БАКТЕРИЯХ

3D архитектура генома определяет функцию клетки. Изучение конденсации ДНК в клетке важно также для понимания механизмов выживания бактерий и для медицины, поскольку упорядоченная конденсация ДНК обеспечивает устойчивость патогенных бактерий к действию антибиотиков. Бактерии при стрессе голодания, в отличие от активно растущих бактерий, используют энергонезависимый механизм поддержания порядка и защиты жизненно важных структур (ДНК) как в неживой природе. Изучение структуры ДНК в нуклеоиде бактерии Escherichia coli проводились с помощью дифракции синхротронного излучения и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Экспериментальные результаты позволили визуализировать структуры нижнего иерархического уровня компактизации ДНК в нуклеоиде покоящихся клеток. Впервые проведенная серия дифракционных экспериментов свидетельствует о наличии периодической упорядоченной организации ДНК во всех изученных бактериях (Рис.1). ПЭМ позволила извлечь более тонкую визуальную информацию о типе конденсации ДНК в нуклеоиде бактерии Escherichia coli. Обнаружены внутриклеточные нанокристаллические, жидкокристаллические и свернутые нуклеосомо-подобные структуры ДНК. Свернутая нуклеосомоподобная структура наблюдалась впервые, она является результатом множественного сворачивания длинных молекул ДНК вокруг белка Dps и его ассоциатов (Рис.2).

| | |
| --- | --- |
| Рис.1. Свернутая нуклеосомоподобная структура ДНК–Dps в покоящихся клетках E.coli: а – томограмма клетки E.coli, масштаб – 500 нм); б – томограмма клетки E.coli, масштаб – 100 нм); с – выделенная область а с большим увеличением, масштаб – 50 нм; d – трехмерная реконструкция сферических ассоциатов Dps, масштаб – 30 нм. | Рис.2. Схема компактизации ДНК в прокариотических и эукариотических клетках. Вверху: нуклеосомы эукариот складываются в 30 нм фибриллы, которые, складываясь, образуют волокна и хроматин, защищая ДНК. Внизу: прокариоты не имеют гистонов, но ДНК обвивается вокруг молекул Dps и, далее, путем множественного складывания, переходит в глобулу ДНК–Dps. защищая нуклеоидную ДНК. |
|   |   |

Руководитель работы: д.ф.-м.н. Крупянский Ю.Ф.

Детали исследований опубликованы в статьe:

Krupyanskii Y.F. Architecture of nucleoid in the dormant cells of Escherichia coli // Russian Journal of Physical Chemistry B. – 2021. – Vol. 2. – № S2. – P. 326-343. DOI:10.1134/S199079312102007X, Q4, IF=0.72

4.Новые люминофорные полимеры на основе фторопласта и олигоэфирметакрилатов, содержащие разнолигандные комплексы неодима, формирующиеся в среде ск-СО2

Впервые показано, что при введении в среде ск-СО2 во фторполимер или олигоуретандиметакрилат ацетилацетоната неодима, Nd(Аcac)3, а затем фенантролина (Phen) в полимере формируется смешанный β-дикетонат неодима – Nd(Acac)3(Phen), проявляющий значительный батохромный сдвиг полосы флуоресценции. Величина сдвига зависит от полимера, наибольший сдвиг наблюдается в олигоуретандиметакрилате и фторполимере, а в поликарбонате сдвиг отсутствует (рисунок, таблица). На характер люминесценции системы влияет порядок импрегнации: при введении сначала Nd(Acac)3, а затем Phen сдвиг максимумов люминесценции максимален. Обнаруженный феномен – батохромный сдвиг полосы люминесценции комплекса Nd(Acac)3(Phen) на 140 нм в красную (610 нм) область спектра при импрегнации олигоуретандиметакрилата и фторполимера в среде ск-СО2 – открывает возможности для создания люминофоров нового типа.

Спектры люминесценции Nd(Acac)3 и Phen в хлороформе (λвозб.=380 нм) (а) и в полимерах, СК-импрегнированных Nd(Acac)3 + Phen (б–г). б – ОУМ-5 (λвозб.=380 нм), в – Ф-42 (λвозб.=355 нм), г – поликарбонат (λвозб.=380 нм).

Максимальные сдвиги максимумов полос люминесценции при модификации полимеров молекулами Nd(Acac)3 и Phen

Метод модификации

ОУМ-5

Фторопласт

Поликарбонат

СК-импрегнация

сначала Nd(аcac)3, затем Phen

Δ ≈ 137 нм

Δ ≈ 139 нм

Δ ≈ 0

СК-импрегнация

сначала Phen, затем Nd(аcac)3

Δ ≈ 70 нм

Δ ≈ 88 нм

Δ ≈ 0

Отливка из общего растворителя

--

Δ ≈ 0

--

Пропитка в общем растворителе

Δ ≈ - 18 нм

Δ ≈ 0

Δ ≈ - 29 нм

Авторы: Каплин В.С., Копылов А.С., Шершнев И.В., Соловьева А.Б. V. S. Kaplin, , A. S. Kopylov, T. S. Zarhina, P. S. Timashev, and A. B. Solov'eva Luminescent Properties of Mixed-Ligand Neodymium β-Diketonates Obtained in Supercritical Carbon Dioxide in Polymer Matrices of Various Nature // Optics and Spectroscopy.- 2020.- V. 128.- No. 7.-P. 769–876.,

DOI: 10.1134/S0030400X20070085 Квартиль Q4 Wos Q3 Scopus РИНЦ

5.Углеродные точки (УТ)

Углеродные точки (УТ) - наноразмерные люминесцентные углеродосодержащие частицы сочетают яркую и зачастую многоцветовую фотолюминесценцию. УТ фотостабильны, фотокаталитически активны, низко токсичны и биосовместимы. В данном проекте разработан новый метод синтеза широкого класса УТ различного химического состава, включая гетероциклические фрагменты в структуре УТ, из различных органических соединений в интенсивном световом поле сфокусированного фемтосекундного лазерного излучения ближнего ИК диапазона. Продемонстрированы многочисленные применения УТ, включающие флуоресцентную визуализацию живых объектов (клеток и эмбрионов), фотокатализ, светоизлучающие устройства и химические сенсоры.

Рис. 1. Морфология наноматериалов, полученных в рамках фемтосекундного лазерного синтеза из ароматического соединения (пиридина): (a) многослойные углеродные нанотрубки (нановолокна), (b) углеродные наноточки («нанолуковицы»), (с) схема строения "нанолуковиц" и нанотрубок. Линиями показаны сферические и цилиндрические графеновые слои.

Изучены свойства люминесцирующих углеродных структур, создаваемых в биологических объектах с помощью фемтосекундных лазерных источников. Синтезированы углеродные наноточки (УНТ) с яркой люминесценцией на границе ближнего и среднего ультрафиолетового диапазона. Продемонстрирован эффективный синтез углеродных наноматериалов при облучении ароматических соединений (бензол, толуол, орто-ксилол, диметилнафталин, пиридин) и их смесей с алифатическими соединениями фемтосекундными лазерными импульсами большой интенсивности. Выявлены основные особенности морфологии, химического состава и строения, оптических свойств полученных наноматериалов. Показано, что флуоресценция лазерно-синтезированных УНТ в значительной степени определяется наличием азотосодержащих групп в прекурсорах. Осуществлен фемтосекундный лазерный синтез УНТ из растворов аминокислот. Показана возможность управления оптическими свойствами УНТ при лазерном синтезе из двухкомпонентных смесей, содержащих ароматическое соединение (толуол) и пассивирующее соединение (этилендиамин, полиэтиленгликоль, бисаминопропил полиэтиленгликоля). Показана возможность управления люминесцентными свойствами УНТ за счет допирования азотом при синтезе из гетероциклического ароматического соединения (пиридина).

Рис. 2. Схема образования высокомолекулярных продуктов облучения аминокислоты л-лизина при облучении фемтосекундными импульсами надпробойной (1) и подпробойной (2-3) интенсивности.

A.A.Astafiev, A.M.Shakhov et all, 2021, J.Phys:Conf.ser.,  2086.012121

A.A.Astafiev,  A.A.Gulin 2021, J.Phys:Conf.ser.,  2086. 012157

Молодые сотрудники Лаборатории энергетических материалов - Никита Муравьев, Игорь Мельников и Константин Моногаров - совместно с сотрудниками ИОХ им. Н.Д. Зелинского РАН провели очень интересные и оригинальные исследования термической стабильности 3-метил фуроксана. Результаты будут опубликованы в 2022 г. в журнале Journal of Molecular Liquids.

Программный комплекс "ЛамГор" для расчета ламинарной скорости горения в горючей газовой смеси на основе водорода в зависимости от типа и концентрации разбавителя