Эти награды присуждены за полный цикл исследований — от зарождения научной идеи до создания опытных образцов. Разработки молодых учёных уже готовятся к выходу из стен лабораторий. Институт подтвердил свой статус кузницы прорывных технологий, которые в обозримом будущем появятся в городских больницах и на промышленных предприятиях.
Цикл работ по созданию наноструктурированных материалов на основе германия: от электрохимического синтеза до прототипа аккумулятора
Премия в номинации «Химия и науки о материалах» присуждена сотрудникам лаборатории процессов в химических источниках тока ИФХЭ РАН кандидатам химических наук Илье Михайловичу Гаврилину и Юлии Олеговне Кудряшовой за разработку научных основ и новых технологических подходов к созданию перспективных наноструктурированных материалов для систем преобразования и хранения энергии. Большой цикл исследований, начатый в 2018 году, охватывает работы из двух областей: наноструктурированные материалы на основе германия для низкотемпературных литий-ионных аккумуляторов и тонкопленочные структуры из кремний-германия для термоэлектрических преобразователей. Их объединяет использование одного химического элемента – германия, и единый технологический подход к синтезу – применение метода электрохимического осаждения из водных растворов.
Литий-ионные аккумуляторы с анодом на основе наноструктур германия способны работать при температурах до -50 °C. По сравнению с титанатом лития, который является альтернативным материалом для холодных условий, германиевый анод обеспечивает большую ёмкость и большее рабочее напряжение аккумулятора.
Тонкоплёночные структуры кремний-германий способны преобразовывать тепло в электрический ток. Предложенный авторами метод заключается в осаждении слоёв кремния и германия, которые далее нагреваются для формирования сплава. Полученные структуры могут найти применение в инфракрасных датчиках.
Электрохимическое осаждение позволяет получать чистые наноструктурированные материалы без использования дорогостоящего оборудования и дополнительных добавок. Метод легко масштабируется. Он совместим с существующими гальваническими производствами.
С первых работ, которые были начаты в 2018 году, учёные прошли большой путь: выработали методику синтеза наноструктур германия, исследовали их электрохимические характеристики, отработали режимы формирования анодных материалов и тонкоплёночных структур; наконец, были созданы прототипы устройств. В настоящее время выполняется новая задача – переход от лабораторных разработок к опытному производству.
Фотосенсибилизаторы для терапии рака и регенерации тканей: генераторы активного кислорода с управляемой активностью
В номинации «Наука мегаполису» награду получила заявка «Новые фотоактивные соединения как основа препаратов для инновационной медицины» ученых лаборатории новых физико-химических проблем ИФХЭ РАН, кандидатов химических наук Дмитрия Александровича Бунина и Евгении Александровны Сафоновой. Их работы, которые проводились в течение 7 лет, посвящены созданию и исследованию фотоактивных соединений на основе фталоцианинов и порфиринов. Учёные синтезировали вещества, способные под действием света генерировать активные формы кислорода, и изучали их практическую применимость.
Д.А. Бунин и Е.А. Сафонова синтезировали широкую линейку комплексных соединений фталоцианинов и порфиринов с металлами и фосфором; изучили, как структура молекулы – тип заместителей, их положение и количество, заряд комплекса, природа металло-центра – влияет на фотохимические и фотофизические свойства с тем, чтобы синтезировать наиболее эффективные фотосенсибилизаторы.
Ключевыми параметрами эффективности являются способность соединений генерировать синглетный кислород и их фотоустойчивость. Результаты исследований могут быть применены для фотодинамической терапии рака. Совместно с медицинскими организациями учёные ИФХЭ РАН исследовали цитотоксичность полученных соединений в темноте и на свету.
Были выделены фотосенсибилизаторы с высокой световой токсичностью и минимальным воздействием на живые клетки при отсутствии облучения. Синтезированы соединения, активность которых может регулироваться химически: она зависит от присутствия определенных белков или кислотности среды. Изучалась зависимость положения максимумов поглощения света от структуры молекулы. Этот параметр (и возможность влиять на него при синтезе) имеет большое значение для эффективности фотодинамической терапии. Свет с разными длинами волн проникает в живые ткани на разную глубину: красный проникает глубже синего. Фотосенсибилизатор, максимум поглощения которого находится в области красного света, более эффективен для применений в фотомедицине.
Второе направление касается использования этих же соединений для фотоинициируемой сшивки полимеров, в частности, гиалуроновой кислоты или желатина. Под действием света генерируется синглетный кислород, который отверждает полимер. Технология рассматривается как основа для создания раневых покрытий: полимерный состав наносится на поврежденную поверхность и отверждается светом. В результате формирует защитную плёнку, которая также проявляет антимикробные свойства. Гиалуроновые или желатиновые полимеры со временем рассасываются в организме, поэтому не требуется их снимать.
Хотя до применения в клинической практике предстоит провести большой объём исследований, накопленная база знаний о взаимосвязи структуры фотосенсибилизаторов и их свойств позволяет целенаправленно отбирать соединения для конкретных задач.
Работа выполнялась при финансовой поддержке РНФ (гранты № 24-13-00479 и № 24-73-10192).
Защитные пленки из паровой фазы: метод временной противокоррозионной защиты металлов, не требующий удаления при дальнейшей эксплуатации
В номинации «Передовые промышленные технологии» отмечена работа научного сотрудника лаборатории окисления и пассивации металлов и сплавов ИФХЭ РАН, кандидата химических наук Ольги Сергеевны Макаровой. Предмет разработки – самоорганизующиеся наноразмерные защитные плёнки, формирующиеся на поверхности цинка и гальванически оцинкованной стали из паровой фазы органических ингибиторов. Исследования вошли в кандидатскую диссертацию Ольги Сергеевны. Они опираются на метод камерной противокоррозионной обработки, который создан в ИФХЭ РАН и развивается уже около десяти лет. Суть метода в том, что в замкнутый объём помещаются ингибитор и защищаемые образцы. При нагреве ингибитор испаряется, пары осаждаются на поверхность образца и формируют защитный слой. Такой подход исключает прямой контакт человека с ингибиторами в процессе нанесения.
О.С. Макарова предложила использовать ингибиторы на основе карбоновых кислот, которые являются экологически безопасными. В ходе экспериментов был подобран состав и концентрация ингибитора, обеспечивающие эффективную защиту цинкового покрытия. Например, при ускоренных коррозионных тестах в камере солевого тумана незащищенные образцы корродировали в течение часа испытаний. Обработка ингибитором тормозила появление коррозии в 96 раз, что послужило основанием для его детального изучения и совершенствования.
Экспериментами было установлено, что после камерной обработки на поверхности образца происходят химические превращения. В течение суток формируется соединение, отличное от исходного ингибитора, которое и обеспечивает длительную защиту. Автор предложила назвать этот процесс «самоорганизация защитного слоя».
Об устойчивости разработанных ингибиторов свидетельствуют натурные испытания. Образцы выдерживались в течение двух лет на московской коррозионной станции ИФХЭ РАН и в течение года в условиях тропического климата на коррозионной станции во Вьетнаме. Признаков коррозии не было обнаружено.
Новые ингибиторы способны обеспечить временную противокоррозионную защиту металлоизделий при хранении и транспортировке. В отличие от смазочных материалов, эти ингибиторы не нужно удалять перед использованием изделий. В настоящий момент в Институте приобретена установка объемом 300 литров, в которой планируется проводить дальнейшие испытания для того, чтобы постепенно приблизиться к реальным промышленным условиях.
Материал подготовлен: Ольга Вадимовна Макарова / Пресс-секретарь ИФХЭ РАН
