Специалисты ИТМО провели исследование, в результате которого было установлено, каким образом формируются градиентные структуры соединений кобальта при образовании осадков Лизеганга в агаровом геле. В ходе работы исследователи выявили шесть фаз осадка, отличающихся друг от друга свойствами. Данный метод, как ожидается, позволит оперативно и с минимальными затратами создавать новые материалы с заранее определенными характеристиками. Они могут найти применение в качестве оснований для клеток в электрохимических устройствах, термодатчиках и антимикробных покрытиях. Впервые работа была представлена на выставке научных разработок XIV Конгресса молодых ученых ИТМО.
Изучение колебательных периодических систем представляет собой одно из наиболее увлекательных и сложных направлений в химии в последние годы. Химические реакции данного типа сопровождаются изменениями в концентрации реагентов, что влияет на скорость процессов и приводит к многократному циклическому осаждению. Данные явления демонстрируют неравновесные процессы, которые встречаются в природе повсеместно: от формирования «колец жизни» на дереве до роста костей у живых организмов. До этого ученые ИТМО уже отслеживали динамику осаждения фосфатов кальция и более подробно изучили процесс образования и развития костей в организме человека, а также предложили модельную систему, имитирующую «выращивание» костей.
В ходе экспериментов ученые ИТМО применили соли кобальта. Данные соединения характеризуются парамагнитными свойствами, то есть они намагничиваются под воздействием внешнего магнитного поля, что позволяет локально нагревать материал. Использование материалов на основе кобальта в качестве основы для клеточных культур также позволяет локально активировать клетки. К тому же, кобальт в небольших количествах является необходимым микроэлементом для человеческого организма.
Для контроля за процессом осаждения исследователи добавляли в пробирки раствор агара (содержащий один процент) и хлорид кобальта. После застывания агара с хлоридом кобальта в него добавляли внешний электролит — гидроксид натрия. Это стимулировало диффузию раствора и начало формирования осадка. В итоге химикам удалось получить градиентные осадки, периодически выпадающие из раствора и состоящие из нескольких фаз, отличающихся друг от друга по свойствам. Ранее ученые не наблюдали подобных систем, основанных на осадках гидроксида кобальта.
«Мы выделили шесть фаз, которые различаются по цвету, химическим свойствам и составу. Это позволило нам получить периодические осадки Лизеганга. Они имеют форму колец и в природе аналогичные образования наблюдаются, например, при формировании агата. Однако, в отличие от обычных случаев, коэффициент разнесения структуры, то есть расстояние между каждым новым кольцом и предыдущим, не соответствует геометрической прогрессии. В этих структурах каждое кольцо соприкасается с предыдущим. Следует также отметить, что структуры Лизеганга, как правило, состоят из одной фазы. В нашей же системе наблюдаются градиент фаз и фазовые превращения промежуточных соединений », — подчеркнула научный руководитель исследовательской группы, кандидат химических наук, доцент научно-образовательного центра инфохимии ИТМО Светлана Уласевич.
В рамках исследования были детально проанализированы химические процессы, происходящие в системе, и определено влияние различных факторов на формирование фаз. Установлено, что регулирование pH, концентрации щелочи, температуры и объема подаваемого воздуха позволяет изменять соотношение фаз в общем объеме осадка раствора, тем самым увеличивая или уменьшая количество колец желаемого цвета.
Каждый осадок определенного цвета, образующийся на данной фазе, представляет собой химическое соединение, обладающее уникальными свойствами. Такие соединения нередко становятся ключевыми компонентами при создании новых материалов. Например, осадки раствора кобальта, полученные в ходе эксперимента, можно будет применять в качестве подложек для клеток в электрохимических устройствах, термодатчиках, имплантах, основе для пигментов и антимикробном покрытии. При этом, производство подобных материалов занимает всего несколько недель и требует минимальных затрат.
«Далее мы планируем проанализировать каждую из полученных фаз осадка. Необходимо установить значения произведения растворимости и проводимости для каждой фазы. Кроме того, будут проведены тесты с использованием клеток, чтобы определить, какие из полученных материалов обладают наибольшей биосовместимостью и как они воздействуют на живые культуры », — сообщил один из участников исследовательской группы, бакалавр научно-образовательного центра инфохимии ИТМО Леонид Гудзеров.