Главная

Лаборатория нейтронных физико-химических  исследований

 

Руководитель: д.ф.-м.н. Лебедев В.Т.

 

Лаборатория сегодня

На сегодня основными внутренне согласованными целями и задачами лаборатории стали разработки эффективных методов получения, синтез и всесторонние исследования  нейтронными и физико-химическими методами гибридных наноструктур на основе углерода и металлов – эндометаллофуллеренов (Gd@C82 и ряд других), их водорастворимых производных низкомолекулярных и полимерных, включая радиоактивные изотопы, получаемые при облучении этих веществ в зоне реактора ВВР-М ПИЯФ; ферромагнитных композитов из частиц железа (гадолиния), заключенных в углеродные (фуллереновые) оболочки, т.е., таким образом, стабилизированных в отношении физических и химических условий (агрессивные химические среды, воздействие температур и т.д.).

Многосторонний характер и новизна решаемых при этом проблем потребовали особого развития хроматографических методов разделения (очистки) фуллеренов и эндометаллофуллеренов. Достигнутый уровень этой работы отражен в публикациях и патентах сотрудников лаборатории, созданных для целей метрологии эталонов веществ С60, С70, С82 и других высших фуллеренов.

В ходе исследований последних лет были обнаружены явления аномально высокой радиационной устойчивости некоторых эндометаллофуллеренов, что стимулировало продолжение и развитие направления с целью расшифровки механизмов разрушения углеродного каркаса фуллерена в условиях, когда он заключает внутри атом металла (малую группу атомов).

Полученные в лаборатории водорастворимые гидроксилированные эндометаллофуллерены Gd@C82(OH)n c числом OH-групп n ~ 20-30, как было показано в серии физико-химических и биомедицинских исследований (на животных), способны служить контрастирующими агентами в ЯМР-томографии для диагностики онкологических заболеваний, в 15-30 раз более эффективными, чем традиционный препарат “Гадовист”, однако более безопасными (не токсичными), т.к. Gd прочно удерживается внутри углеродного каркаса фуллерена. Установлено, что контрастирующий эффект эндометаллофуллеренов существенным образом зависит от степени и характера их ассоциации в среде организма, что отвечает условиям водных растворов. В этой связи методами рассеяния нейтронов проводятся специальные исследования явлений кластеризации фуллеренолов в зависимости от pH и других факторов (специальные буферные растворы).

Для целей медицины (терапия онкологических заболеваний) в лаборатории были разработаны магнитные наноразмерные носители препарата фотодитазина (фотодинамическая терапия) на основе частиц магнетита и полимерного компонента (плюроник). Полученные устойчивые молекулярные комплексы (биологически активная феррожидкость) позволяли концентрировать  с помощью магнитного поля данный  препарат в области опухоли, что усиливало терапевтический эффекты (положительные результаты на клеточных культурах, мышах).

Значительная научная активность лаборатории проявляется в исследованиях фуллеренсодержащих полимеров. В последнее время методом малоуглового рассеяния были изучены звездообразные полимеры на основе полистирола, синтезированные в Институте высокомолекулярных соединений РАН (С.-Петербург), полученные прививкой цепей к фуллереновому центру (1 или 2 ковалентно связанных молекулы С60)  при варьировании количества лучей (6-22), а также их полярности (гибридные звезды, включающие неполярные лучи  полистирола и относительно полярные лучи политретбутилметакрилата и других полимеров).

В рамках Проекта РФФИ в последние три года были проведены масштабные нейтронные исследования самоорганизации амфифильных полимеров в растворителях различной полярности (бензол, толуол, хлороформ, тетрагидрофуран и др.). Были изучены иономеры на основе полистирола и различным содержанием ионогенных групп SO3Na (SO3H) в звеньях цепи (0-5.8 % мол.). Впервые было показано, что данные иономеры способны испытывать конформационные превращения, когда клубок преобразуется в глобулу или везикулу, содержащую внутри растворитель, в зависимости от молярной доли ионогенных групп и полярности растворителя. Более того, было установлено, что везикулярные структуры формируют в растворах достаточно упорядоченные кластеры – фрагменты простой кубической решетки. В продолжение этого направления в лаборатории начаты нейтронные структурные исследования мицеллярных структур на основе полимеризованных поверхностно-активных веществ.

Одно из наиболее актуальных полимерных направлений лаборатории связано с изучением строения протонопроводящих мембран (материалы для водородной энергетики типа Nafion) на основе взаимопроникающих полимерных сеток (сополимеры, включающие до 4 различных типов мономеров, совместно с Санкт-Петербургским филиалом Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН). Методами рассеяния нейтронов проведен анализ строения мембран, геометрии и размеров каналов и наноразмерных пор, определяющих протонную проводимость. Наряду с мембранами были выполнены структурные исследования каталитических материалов для водородной энергетики (наночастицы Pt), а также гетерогенных катализаторов Zn1-xOCux(Hy), насыщаемых водородом (дейтерием), в связи с проблемой локализации водорода вокруг кластеров меди и механизмами каталитической активности этих веществ (совместно с Институтом катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Новосибирск и Университетом Амстердама).

Возможности методов рассеяния нейтронов применяются в лаборатории не только в фундаментальных научных, но и в промышленных целях для тонкой аттестации ультрадисперсных и сложным образом структурированных материалов: волокна базальта, полученные на российских заводах по различным технологиям для тепло- и акустической изоляции; керамические материалы, цементы для строительной  индустрии (изучение структурирования цементов в процессе длительного затвердевания методом малоуглового рассеяния нейтронов).

Наряду с задачами в области водородной энергетики и катализа значительное внимание уделяется проблемам радиационного материаловедения в ядерной энергетике и реакторной технике. Совместно с ЦНИИ ФГУП “Прометей” сотрудниками лаборатории выполнен цикл исследований надатомной структуры аустенитных сталей, служащих конструкционными материалами в энергетических ядерных реакторах, в зависимости от степени пластической деформации образцов (до разрушения). Примененный метод малоуглового рассеяния нейтронов позволил проанализировать явления зарождения и развития наноразмерных дефектов (группы дислокаций, поры и трещины), определить объемные доли, размеры и геометрические параметры указанных дефектов, что дает необходимую информацию для разработки микроскопических критериев прочности конструкционных материалов. В особенности важные результаты были получены при исследовании структуры сварных соединений (фрагменты трубопроводов, корпуса энергетического реактора): методом малоуглового рассеяния были выявлены наноразмерные включения карбидов в объеме сварного соединения, определены распределения этих частиц размерам и преимущественная локализация в определенных частях сварного соединения. В лаборатории развиваются работы в области физики радиационных дефектов, генерируемых в реакторных материалах при облучении быстрыми нейтронами. На дифрактеметре “Мембрана” методом малоуглового рассеяния изучены структуры радиационных дефектов в алюминиевых сплавах, которые накопили высокий флюенс – до 1022 н/см2 (НИИ Атомных Реакторов, Димитровград) в ходе длительного облучения с целью моделирования процессов деградации конструкционных материалов при эксплуатации реакторов. Эксперименты по радиационной физике кристаллов (синтетический и природный кварц, различного происхождения и степени дефектности) были выполнены в лаборатории на нейтронном дифрактометре “Мембрана” с целью изучения механизмов развития различных радиационных дефектов в каскадных процессах при рассеянии быстрых нейтронов в кристаллической решетке кварца в интересах геологии для выяснения условий возникновения связной системы дефектов (типа каналов, пор), по которой возможна миграция атомов гелия, радона и других газов, а также молекул воды в земной коре.