Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проект посвящен развитию многокомпонентной коллоидной кристаллизации – перспективной мультидисциплинарной области исследований, которая охватывает органический синтез, физическую и коллоидную химию и материаловедение. В качестве исходного материала для проведения коллоидной кристаллизации выбраны монодисперсные микрогели субмикронного размера, полученные путем модификации целлюлозы. Синтезированные по оригинальным методикам микрогели нескольких сортов осаждались на поверхности стекловолокна с получением мозаичных структур. Основное внимание при реализации проекта было сфокусировано на поиске взаимосвязей между строением исходных микрогелей и целевых коллоидных кристаллов. Для этого проведены комплексные исследования межфазных пленок, которые формируют эти частицы, с привлечением таких методов как: атомно-силовая микроскопия, динамическое рассеяние света, флуоресцентная микроскопия, электронный парамагнитный резонанс. В ходе реализации проекта были разработаны новые методы введение спиновых зондов в структуру микрогелей. В ходе работы также получены микрогели, имеющие доменную структуру и состоящие из меньших по размеру частиц диаметром 20-30 нм. Такие частицы образуют мозаичную поверхность при осаждении на волокнах в виде монослоя. В результате первого года реализации данного проекта были получены результаты, представляющие несомненную ценность для исследователей, работающих в области коллоидной химии, химии полисахаридов и материаловедении. Наиболее интересным достижением первого года была разработка новой методологии получения микрогелей на основе микробиологической целлюлозы с помощью мультикомпонентных конденсаций. Полученные результаты могут служить основой для развития целого ряда технологий получения материалов с субмикронной доменной структурой. Синтетические возможности модификации органических полимеров, таких как целлюлоза, практически безграничны, что открывает дорогу к новому семейству перспективных материалов. Этот проект сфокусирован на весьма популярных сейчас пленках с переключаемой при изменении рН гидрофильно-гидрофобной поверхностью. Практическая значимость данного проекта заключается в получении регенерируемых материалов для ликвидации аварийных разливов нефти. В активированном состоянии, когда поверхность материала гидрофобная он может использоваться как сорбент для сбора нефти с поверхности воды. Затем, при изменении рН поверхность материала становится гидрофильной и нефть легко удаляется с его поверхности и может быть собрана и использована как коммерческий продукт. Такие материалы имеют огромные перспективы для применения при ликвидации аварийных разливов нефти, в том числе для изготовления ленточных скиммеров и нетканых сорбентов. При этом толщина мозаичного покрытия настолько мала, что его использование не будет негативно отражаться на стоимости подобных материалов. Материал с мозаичной поверхностью может использоваться множество раз без необходимости его утилизации или захоронения. Таким образом, результатом проекта должен стать простой и доступный метод покрытия целлюлозных волокон мозаичными пленками на основе полисахаридных микрогелей. Проект сочетает фундаментальные исследования в области коллоидной химии с развитием перспективных технологий в материаловедении. В течение 2023 года были выполнены следующие работы: Развит метод получения микрогелей на основе микробиологической целлюлозы разбавлением растворов целлюлозы в системе NaOH-мочевина. Было показано, что метод позволяет получать образцы микробиологической целлюлозы с различной степенью полимеризации в диапазоне 3500 – 450 и микрогели на ее основе с размерами 200 – 300 нм. Далее было проведено карбоксиметилирование микробиологической целлюлозы в растворе, получены образцы со степенью замещения от 0.11 до 0.92. Показано, что микробиологическая целлюлоза с высокой степенью замещения образует микрогели при взаимодействии с полиаминами, такими как хитозан и поливиниламин. Средний диаметр гелевых частиц варьировал от 600 до 200 нм в зависимости от концентрации карбоксиметилцеллюлозы. На основе систем КМЦ/хитозан и КМЦ/поливиниламин с помощью реакции Уги в разбавленных водных растворах была получена серия образцов сшитых микрогелей с различными боковыми группировками для последующего использования в качестве материала для создания мозаичных покрытий. Для всех полученных в работе микрогелей был проведен полный комплекс исследований структуры, включая 1H ЯМР, ИК, динамическое светорассеяние (ДРС) и сканирующая зондовая микроскопия. Эти исследования выявили доменную структуру полученных микрогелей. Домены размером 20-30 нм, состоящие из более плотного материала, соединены более мягким гелем в единую структуру размерами 200–300 нм. Подобная структура открывает дополнительные возможности для реализации проекта, так как домены сами по себе формируют мозаичную структуру и могут быть дополнительно модифицированы, как и окружающий их гель. В структуру микрогелей были введены два различных красителя – флуоресцеин в состав КМЦ и родамин Б в состав поливиниламина. Это позволило провести комплекс исследований по подбору условий для формирования мозаичных пленок на стеклянных подложках и стекловолокне. Продемонстрирована возможность получения мозаичных покрытий с использованием заявленного в проекте подхода. В ходе проведенных исследований были получены образцы поливиниламина, содержащего нитроксильный радикал. Обработка спектров ЭПР показала возможность использования метода спиновых меток для оценки степени подвижности полимерных цепей поливиниламина в растворе, на поверхности волокна и составе геля. Кроме того, удалось установить качественную связь между подвижностью спиновой метки в геле КМЦ/поливиниламин, нанесенном на стекловолокно, и скоростью растекания сырой нефти по его поверхности. Таким образом, подвижность спин-метки может дать информацию о возможности использования волокнистых материалов, покрытых гидрофильным гелем КМЦ/поливиниламин, для эффективного разделения эмульсий типа «вода в масле».