Создание новейших материалов немыслимо без исследовательских работ

    Инженер-исследователь Физико-математического института Роман Скандаков аккуратно заполняет керамический тигель измельченным биоматериалом. Затем помещает его в специальный прибор для синхронного термического анализа – дериватограф. Это прибор для исследования физико-химических процессов, происходящих в веществе в процессе увеличения температуры в различных средах (аргон, азот, кислород). Температура в дериватографе может быть увеличена с различной скоростью до 1200 ºС, все зависит от задач эксперимента и исходного вещества. После достижения установленной температуры и последующего остывания рабочей камеры прибора тигель вынимают. Полученный образец достают из керамического тигля и исследуют целым набором физических методов начиная с обычного микроскопа, электронного микроскопа и кончая рентгеновской дифрактометрией и инфракрасной спектроскопией.

     По словам научного сотрудника Физико-математического института Ольги Петровой, дериватограф рассчитан на две параллельные задачи. Первое – исследовать процессы, происходящие при нагревании через анализ изменения массы исследуемого вещества и поглощения или выделения при этом тепловой энергии. При изменении температуры происходят химические реакции, при которых испаряется вода, разложение и переход части вещества в газообразную фазу или образуются новые соединения. Из температурных зависимостей видно, как меняется масса образца с изменением температуры, а по минимумам и максимумам этой зависимости, можно получить информацию химических реакциях, происходящих в веществе при термообработке. Вторая задача – это одновременно с исследованием процесса изменения исходного биологического образца получать графитизированные материалы, которые характеризуются высокой химической инертностью при высоких температурах в агрессивных средах и развитой поверхностью, что позволяет использовать их в качестве основы для получения композитных материалов для различных приложений. На первом этапе исследований то незначительное количество графитизированного вещества, получаемого в дериватографе достаточно, чтобы провести его предварительные исследования.

                           Все началось с морских губок

     Исследования по изготовлению нового катализатора для промышленности ученые Физико-математического института Коми научного центра начали проводить еще в 2017 году в составе международной исследовательской группы во главе с профессором Германом Эрлихом из Технического университета Горной академии Фрайберга (Германия). Тогда группа физиков, химиков и биологов из разных стран занималась исследованием структуры морских губок, с целью разработки биомиметических моделей в качестве альтернативы углеродным и керамическим каркасам для современного материаловедения. Это направление называется «экстремальной биомиметикой» и нацелено на изучение и использование возобновляемых, встречающихся в природе нетоксичных органических структур.

   Путем карбонизации в инертной среде азота и аргона морских губок был получен трехмерный композитный материал, который обладает уникальными свойствами и в будущем может служить основой для приготовления катализаторов, составив конкуренцию углеродным нанотрубкам. 

   В процессе нагрева в инертной атмосфере аргона или азота, губка теряет в объеме и массе до 70 %, но сохраняет свою пространственную 3D-структуру, становится твердой благодаря графитизации и формированию турбостатного графита.  В состав губки входит специфический белок спонгин, который образует жгуты-фибриллы, содержащие значительное количество ароматических соединений, и формирующие 3D структуру морской губки.

    Спонгин разрушается при температурах 400-500 ºС, но при этом успевает начаться процесс графитизации ароматических веществ, и, с ростом температуры 3D структура, состоящая из фибрилл спонгина и ароматических соединений, преобразуется в термостойкий, химически инертный и твердый турбостатный графит, который может использоваться далее в качестве основы для получения композитных материалов, составляя конкуренцию многостенным углеродным нанотрубкам, - так на качественном уровне физики объясняют формирование нового материала.

    Уникальность композитного материала на основе каркаса морских губок в том, что в результате термообработки, насыщенная углеродом губка воспроизводит форму и уникальную микроархитектуру оригинального каркаса морского животного. 

   Если каркас покрыть наноразмерным слоем меди, то он становится гибридным материалом с превосходными каталитическими характеристиками. То есть он может ускорять химические реакции, что важно для развития современных технологий и индустрии материалов. Например, такой катализатор может очищать морскую воду от токсичных соединений нитрофенолов, преобразуя их в нетоксичные и широко используемые в фармацевтической промышленности соединения. 

   Синхронный термический анализатор (дериватограф) был приобретен Коми научным центром в 2023 году рамках мероприятий по обновлению приборной базы, реализуемой благодаря федеральной программе «Развитие инфраструктуры для научных исследований и подготовки кадров» национального проекта «Наука и университеты». В настоящее время персонал физико-математического института прошел обучение и активно проводит исследования по карбонизации биоматериалов. В 2024 году в рамках программы обновления приборной базы в ФМИ была также закуплена трубчатая вакуумная печь, которая позволяет проводить карбонизацию материалов в граммовых количествах в инертных и окислительных средах.

   Заведующий лабораторией экологической физиологии растений Института биологии Игорь Далькэ рассказал журналистам БНКоми о результатах последних исследований борщевика Сосновского.  

   На территории Кавказа растет множество видов борщевика. В 19 веке европейские ботаники охарактеризовали там борщевик Мантегацци, который потом распространился в Западной Европе как декоративное растение. В 20 веке в Грузии советский ботаник Ида Манденова описала уже борщевик Сосновского, который позже распространяли в СССР как силосную культуру: сначала в Мурманскую область, из нее — в Коми, а после — по всей стране и Восточной Европе.

    До 2024 года считалось, что в республике растет именно борщевик Сосновского. Но коллектив авторов под руководством заведующего лабораторией экологической физиологии растений Игоря Далькэ сравнил генетические материалы борщевика Мантегацци, взятый на Кавказе, и борщевика в Мурманской области и Коми и выявили их схожесть. Поэтому специалисты считают, что в  регионах произрастает именно борщевик Мантегацци и уже в своих последних исследованиях указывают его.

  — Отсюда, внимание, вопрос: как штрафовать людей, если растет Мантегацци, а во всех правовых документах написан борщевик Сосновского? — задается вопросом Игорь Далькэ.

Как говорит ученый, отличить два вида сложно. Ида Манденова утверждала, что наиболее явная разница между ними заключается в высоте растений: у борщевика Сосновского она составляет до 1,5 метров, а у Мантегацци — от 3 метров и более; именно такого размера борщевик в Коми, указывает ученый научного центра. Другие специалисты указывают на отличия в форме листьев: у Сосновского она округлая, а у Мантегацци — острая.

Открытие позволяет объединить исследования западных и отечественных ученых. Раньше коллеги из других стран указывали, что данные, полученные в России, неприменимы в Европе. Граница между произрастанием видов «подозрительно четко» проходила по линии соприкосновения капиталистических стран и государств бывшего Варшавского договора, подчеркивает Игорь Далькэ, что и подтолкнуло коми ученых к анализу генетики растений. Теперь во внимании специалистов будет разность не видов, а экологических условий, в которых произрастают борщевики.

 — В наших условиях длительный снежный период позволяет созреть почти всем семенам борщевика, которые упали на почву осенью, а в Европе зимы более короткие и «теплые», поэтому часть семян борщевиков может недозреть. Из-за этого чешские исследователи говорят, что семена Мантегацци могут сохраняться в почве несколько лет, и это отличает их от семян борщевика Сосновского. Теперь мы видим, что дело не в видах, а в разных экологических условиях, — приводит пример Игорь Далькэ.

  Есть предположения, что борщевик Сосновского и Мантегацци — один вид. Их ареалы пересекались на Северном Кавказе. Кроме того, они скрещиваются между собой и дают плодовитое потомство. Но исключить наличия в природе борщевика Сосновского нельзя. Чтобы окончательно поставить точку в этом вопросе, необходимо отправиться в Грузию в «locus classicus», место, где Ида Манденова изначально нашла и описала борщевик Сосновского, взять его типовые образцы и сравнить с Мантегацци. Как указал Игорь Далькэ, возможно, ученые решат этот вопрос в будущем.

Источник: БНКоми

   Сегодня на заседании Объединенного ученого совета ФИЦ Коми НЦ УрО РАН Светлана Владимировна Дёгтева в торжественной обстановке вручила награды сотрудникам Коми научного центра.

   За многолетний добросовестный труд на благо российской науки Почётной грамотой Российской академии наук награждены:

Голубев Евгений Александрович

Ивонина Наталья Ивановна

Камашев Дмитрий Валериевич

Пунегов Василий Ильич

Чабина Марина Валерьевна

Шамрикова Елена Вячеславовна

   За многолетний добросовестный труд и большой вклад в развитие науки Почетное звание «Заслуженный работник Республики Коми» присвоено Попову Сергею Владимировичу

   За добросовестное исполнение должностных обязанностей Знаком отличия Республики Коми «За безупречную службу Республике Коми награждена Ильиных Ольга Анатольевна

   За многолетний добросовестный труд Ценный подарок ФИЦ Коми НЦ УрО РАН вручен Бергман Эмилии Александровне

   За успешное содействие фундаментальным и прикладным научным исследований и в связи с 80-летием ФИЦ Коми НЦ УрО РАН Почётной грамотой ФИЦ Коми НЦ УрО РАН награждены:

Василчина Светлана Михайловна

Мелехина Екатерина Владимировна

Надуткина Юлия Анатольевна

Смотрова Мария Васильевна

Федюкова Наталья Петровна

Хлыбова Мария Евгеньевна