2023 г. порадовал разнообразными успехами на поприще химической науки. Огромный вклад в эту область внесли отечественные ученые. Подводя итоги года, «Научная Россия» предлагает читателям вспомнить одни из самых ярких прорывов, совершенных в химии в 2023 г.
Экологичный пластик
Биоразлагаемый полистирол.
Фото: Анастасия Тамаровская / ФИЦ КНЦ СО РАН
Над решением проблемы утилизации бытовых отходов отлично поработали ученые из ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» и Сибирского государственного университета науки и технологий им. ак. М.Ф. Решетнева. Исследователи разработали биоразлагаемый материал на основе полистирола — разновидности пластика, которая очень часто попадает в окружающую среду. Сам по себе полистирол очень долго разлагается в естественных условиях, нарушая экологическое равновесие. Но эксперты модифицировали вредоносное соединение при помощи природного органического вещества альфа-ангеликалактона. Полученный в результате усовершенствованный пластик обрел способность полностью расщепляться микроорганизмами почвы всего за семь месяцев!
Против света и бактерий: биоразлагаемая упаковка
Биоразлагаемая пленка для упаковки пищи.
Фото: Валентин Новиков / Российский научный фонд
Биоразлагаемую композитную пленку для упаковки пищи создали исследователи Института элементоорганических соединений РАН им. А.Н. Несмеянова. Уникальные свойства нового материала помогают увеличить срок хранения продуктов, так как он надежно защищает еду от ультрафиолетового излучения, микроорганизмов и влаги, при этом обеспечивая доступ воздуха к пище. В основу соединения легло эфирное масло чайного дерева, которое эксперты включили в специальный «каркас» из солей железа и органической кислоты, и затем ввели в матрицу из двух растительных полимеров. В результате ученые получили прочные, долговечные антибактериальные пленки, которые контролируемо выделяют антиоксиданты, продлевающие срок хранения продуктов. В проект внесли вклад исследователи Московского физико-технического института, Научно-исследовательского института по изысканию новых антибиотиков им. Г.Ф. Гаузе, НОЦ «Композиты России» МГТУ им. Н.Э. Баумана и Университета «Сириус».
Превратить воду в гель
Новый метод получения гидрогелей на основе полимеров из водорослей предложили эксперты из Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН, Сколковского института науки и технологий и Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН. Методика позволила ученым получить гидрогели с регулируемой прочностью, просто выдержав на свету водный раствор альгината (получаемого из водорослей ключевого компонента гелей) и комплексного соединения железа. Разработка позволила решить проблему мгновенного застывания альгинатных гидрогелей при их получении, из-за которого ухудшаются механические свойства материала. Самый прочный из полученных в ходе экспериментов гидрогель смог при склеивании двух стекол выдержать нагрузку, сравнимую с давлением 1 кг на каждый 1 см2. Этот показатель сопоставим с характеристиками лучших гидрогелевых клеев. И это — не единственное применение новых соединений.
«Полученные нами материалы можно использовать <…> при создании медицинских материалов, например для восстановления нарушенных костных тканей. Однако сначала нужно будет провести дополнительные исследования потенциальной токсичности комплекса железа для организма человека», — подчеркнул участник проекта, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН Дмитрий Сергеевич Перекалин.
Нанопроволоки для компьютеров будущего
Исследователи продолжают поиск новых технологий для компьютеров будущего.
Источник изображения: studioaccendo / фотобанк 123RF
Наноразмерное оптоволокно из фосфида галлия, которое может лечь в основу сложных компонентов компьютеров будущего, разработали эксперты Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, Алферовского университета, ВШЭ, ИТМО, СПбГУ, Санкт-Петербургского политехнического университета и Ереванского государственного университета. Использование оптических интегральных схем, в которых данные передаются при помощи света, рассматривается современной наукой как возможность повышения производительности компьютеров. В ходе исследования ученые решили применить в качестве волноводов (каналов, передающих свет) нитевидные нанокристаллы фосфида галлия. Новые волноводы порадовали отличными характеристиками: низкими потерями передаваемого света, пропусканием как видимого, так и инфракрасного излучений и эластичностью — даже при сильном изгибе волокно не разрушалось, сохраняло форму и продолжало пропускать свет. Эксперты пришли к выводу, что из фосфида галлия можно изготавливать не только простейшие волноводы, но и фильтры, резонаторы и прочие сложные детали для микросхем.
Да будет свет: создан отечественный жидкосцинтилляционный коктейль
Отечественную смесь реактивов для обнаружения радиоактивных элементов в водных растворах разработали эксперты Всероссийского научно-исследовательского института радиологии и агроэкологии (НИЦ «Курчатовский институт» — ВНИИРАЭ). Принцип действия так называемого жидкосцинтилляционного коктейля заключается в том, что он реагирует свечением на наличие радиоактивных веществ. Разработанное вещество позволит успешно заменить импортные аналоги, при этом стоимость 1 л отечественного состава — более чем в десять раз ниже зарубежных альтернатив. Российский коктейль уже может применяться для обнаружения трития, в перспективе с его помощью можно будет выявлять в растворах углерод-14. Разработка имеет большое значение для радиационного мониторинга на АЭС и прочих атомных объектах.
«Разработанный коктейль позволяет определить тритий в водных образцах до концентрации 7 Бк/л, что в 1 тыс. раз меньше, чем предельно допустимая концентрация этого изотопа в питьевой воде (7,6 тыс. Бк/л)», — сообщил ТАСС главный научный сотрудник института Сергей Николаевич Лукашенко.
Краска-«пылесос»
Сферические микрочастицы оксида титана.
Изображение с электронного микроскопа: Александра Буланова, Роман Морозов, Михаил Рассомахин / ЮУрГУ
Необычное изобретение представили эксперты ЮУрГУ, разработавшие «умную» краску, способную поглощать из воздуха в городах пыль, тяжелые металлы (свинец и мышьяк) и прочие опасные вещества. В основу изобретения легли пористые сферические частицы оксида титана и жидкое стекло. Из них исследователи получили пористый материал, который поглощает из окружающей среды вредоносные частицы, подобно устьицам листьев растений. Разработку предлагается использовать при покраске разнообразных элементов уличной инфраструктуры (от фасадов домов до бордюров) и нанесении дорожной разметки. Чтобы «обновить» материал, достаточно промыть окрашенные поверхности водой под напором, и краска сможет снова фильтровать опасные вещества из окружающей среды.
Свет на страже чистой воды
Две технологии, позволяющие очищать воду при помощи светового излучения, предложили ученые из разных уголков страны. Исследователи из Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН создали гибридный фотокатализатор для очистки сточных вод от органических отходов и микроорганизмов. Новое соединение, включающее органические компоненты порфирины и неорганические наночастицы дисульфида молибдена, разрушает органические загрязнители с эффективностью более 90% и подавляет рост распространенных в водостоке бактерий Escherichia coli в 11 раз быстрее аналогов. При этом в зависимости от типа излучения, применяемого для обработки (видимый или ультрафиолетовый свет), катализатор вырабатывает разные активные частицы, что позволяет регулировать его работу сообразно конкретной ситуации. А группа исследователей из Дагестанского государственного университета и Института физики Дагестанского федерального исследовательского центра РАН вместе с коллегами из Чехии предложила использовать для очистки воды волоконные гибридные полимерные мембраны на основе поливинилденфторида и гидратированной соли нитрата кальция, активируемые световым излучением (видимым или ультрафиолетовым) либо механическим воздействием (давлением в растворе или ультразвуком). Полученная технология позволила ученым успешно ускорить разложение органического красителя метиленового синего.
Коллектив ученых, разработавший гибридные полимерные мембраны для очистки воды на основе поливинилденфторида и гидратированной соли нитрата кальция.
Фото: Фарид Оруджев / пресс-служба Российского научного фонда
Деформация и токсины: кое-что об индикаторах
Уходящий год оказался богатым на достижения, связанные с необычными соединениями-индикаторами, изменяющими свойства в ответ на внешние факторы. Так, сотрудники кафедры высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова выработали простой бюджетный способ изготовления стимул-чувствительных полимерных пленок, меняющих цвет при физическом воздействии. Подобные материалы могут применяться в датчиках напряжения и деформации, для защиты документов от подделок и в прочих интерактивных приспособлениях.
Образец композитного материала, изменяющего цвет при механическом воздействии.
Фото: Юлия Чернова / пресс-служба химического факультета МГУ
Материалы-индикаторы могут спасать не только от подмены ценных бумаг, но и от отравления химическими веществами. Эксперты Российского государственного университета им. А.Н. Косыгина представили текстильные датчики, меняющие цвет при превышении допустимой концентрации щелочных или кислотных испарений в воздухе. Анализаторы могут изготавливаться из ткани или пленки и меняют расцветку в диапазоне от желтого до темно-бордового. Интересный факт: в основу индикаторов легли производные взрывчатого вещества тротила (тринитилтолуола), которое исследователи решили таким нестандартным образом утилизировать. Предполагается, что подобные чувствительные материалы можно будет встраивать в спецодежду и средства индивидуальной защиты, чтобы обеспечить безопасность сотрудников опасных химических производств.
«Преимущества хромодатчиков в том, что они постоянно находятся рядом с работником, <…> что позволяет лучше контролировать ситуацию. При этом они не требуют источников энергии», — рассказал «Известиям» руководитель проекта, заведующий кафедрой органической химии института Дмитрий Николаевич Кузнецов.
Юные дарования: абсолютная победа российского школьника на Международной Менделеевской олимпиаде
Победителем 57-й Международной Менделеевской олимпиады школьников по химии, состоявшейся 1–6 мая в Астане, стал молодой россиянин — ученик 11 класса из Республиканского лицея для одаренных детей в Мордовии Андрей Дубинский. Юноша также был удостоен премии им. ак. В.В. Лунина, учрежденной фондом Андрея Мельниченко.
Итоги Международной Менделеевской олимпиады по химии в 2023 г. в целом продемонстрировали силу отечественной химической школы: больше всего золотых медалей — семь — на конкурсе завоевала сборная России. Кроме того, российские школьники удостоились на научном конкурсе двух серебряных и одной бронзовой награды.
«Очередной крупный успех нашей команды на главном турнире юных химиков планеты показал, что Россия — это великая химическая держава», — прокомментировал блестящие результаты ректор МГУ им. М.В. Ломоносова Виктор Антонович Садовничий. Наравне с фондом Андрея Мельниченко химический факультет университета традиционно выступил в роли организатора олимпиады с российской стороны.
В новом году портал «Научная Россия» продолжит знакомить вас с достижениями отечественных и зарубежных исследователей. С наступающим праздником!
Источники
Материалы портала «Научная Россия»
ТАСС. Екатерина Замахина. В России создали отечественный состав для радиационного мониторинга
«Российская газета». Михаил Пинкус. Ученые ЮУрГУ создали краску, способную очищать воздух от пыли, свинца и мышьяка
«Известия». Андрей Коршунов. Цвета представление: красители из тротила выявят вредные вещества в воздухе
Журнал «За науку». Илья Бения. Физики создали наноразмерное оптоволокно для компьютеров будущего
Источник изображения на главной странице: freepik / фотобанк Freepik
Источник изображения на превью: katemangostar / фотобанк Freepik
Источники изображений в тексте: Анастасия Тамаровская / ФИЦ КНЦ СО РАН, Валентин Новиков / Российский научный фонд, studioaccendo / фотобанк 123RF, Александра Буланова, Роман Морозов, Михаил Рассомахин / ЮУрГУ, Юлия Чернова / пресс-служба химического факультета МГУ, Фарид Оруджев / пресс-служба Российского научного фонда.