В перечень проектов, поддержанных по итогам конкурса 2021 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (совместно с Немецким научно-исследовательским сообществом – DFG), вошел проект Казанского федерального университета.

Проект «Кинетика нуклеации кристаллов в полимерах и низкомолекулярных органических веществах: применение метода Таммана для обнаружения сходств и различий» под руководством заведующего кафедрой физической химии Химического института имени А.М. Бутлерова Бориса Соломонова и профессора Рене Андроша из Университета Мартина Лютера (Халле-Виттенберг) поддержан грантом РНФ.

Партнер ученых из КФУ, профессор Рене Андрош, является одним из ведущих мировых ученых в области кристаллизации полимеров и редактором старейшего научного журнала по термохимии Thermochimica Acta.

Как рассказал доцент кафедры физической химии, заведующий лабораторией сверхбыстрой калориметрии Тимур Мухаметзянов, 23 проекта будут поддержаны грантом РНФ. В число победителей вошла работа ученых Казанского федерального университета. Грант рассчитан на 2022-2024 годы. Каждый год коллектив ученых будет получать по шесть миллионов рублей.

«В нашей лаборатории мы проводим измерения методом сверхбыстрой калориметрии (сверхбыстрая калориметрия является новым экспериментальным методом, который позволяет исследовать гомогенную нуклеацию даже в быстро кристаллизующихся материалах, поскольку с ее помощью можно жестко задавать условия для нуклеации и роста кристаллов). Мы нагреваем или охлаждаем вещества с очень высокой скоростью до миллиона градусов в секунду. Мы используем калориметрические чип-сенсоры, которые позволяют измерять очень маленькие образцы размером от 1 до 10 мк. Это позволяет нам моделировать процессы, которые могут происходить в промышленности, поскольку сейчас часто используются технологии, в которых изготавливаются полимерные изделия очень маленького размера, и они тоже могут нагреваться и охлаждаться в этих процессах очень быстро», – ввел в курс дела Т. Мухаметзянов.

Применение такого быстрого нагрева и охлаждения открывает недоступные ранее возможности. К примеру, если попытаться определить температуру плавления лекарственных соединений, биомолекул, то нагрев происходит на обычных приборах в течение нескольких, а то и десятков минут, вещество успевает обуглиться и разложиться.

«В итоге мы не успеваем изучить их характеристики до того, как они "испортятся". Здесь, поскольку измерение занимает короткое время, мы успеваем заметить и определить физические свойства до того, как вещества разложатся. Особенности этих методов будут отражены в частности в диссертации аспиранта этой же лаборатории Алексея Бузюрова, которая станет первой в России диссертацией по химии, основанной на использовании этого метода», – отметил Т. Мухаметзянов.

Метод сверхбыстрой калориметрии широко использует в своей работе над докторской диссертацией Михаил Ягофаров, недавно ставший самым молодым кандидатом наук в Казанском университете.

Работа, поддержанная на конкурсе РНФ-DFG, использует возможности метода сверхбыстрой калориметрии для изучения процессов нуклеации и роста кристаллов. Свойства кристаллических материалов в значительной мере определяются долей, морфологией и упорядоченностью кристаллов на микроуровне. Первой стадией образования кристалла является появление зародыша, так что число зародышей оказывает непосредственное влияние на вышеуказанные параметры. Управление процессом нуклеации (зародышеобразования) – ключевой инструмент для направленного дизайна и получения материалов с заданными свойствами. В то время как процессы роста кристаллов и гетерогенной нуклеации изучены достаточно подробно, гомогенная нуклеация понята намного хуже, во многом по причине отсутствия подходящих аналитических инструментов.

В условиях глубокого переохлаждения процесс нуклеации может быть изучен с помощью двухстадийного метода проявления зародышей по Тамману, который хорошо зарекомендовал себя при изучении медленно кристаллизующихся материалов, в том числе керамики. Подход Таммана предполагает создание зародышей кристаллов при низких температурах, когда скорость роста кристаллической фазы пренебрежимо мала. Это позволяет определить количество зародышей и получать поликристаллические структуры с небольшими размерами кристаллов.

«Помимо современных сверхбыстрых калориметров, наша лаборатория оснащена инструментами визуализации структуры материалов», – продолжил ученый.

Метод проявления зародышей получит дальнейшее развитие, чтобы обеспечить его применимость. Результаты проекта будут способствовать дальнейшему развитию технологий обработки полимерных материалов и лекарственных препаратов с целью получения заданной структуры для конкретных применений. Кроме того, полученные данные позволят провести критическую оценку модельных основ теории нуклеации, в рамках которой, до настоящего времени, не обсуждаются различия между системами, построенными из различных структурных единиц.

Исследования быстро кристаллизующихся веществ методом Таммана находятся в фазе развития и требуют дальнейших исследований для научного обоснования применимости.

Подчеркнем, Казанский федеральный университет занимает первое место среди 160 вузов мира по научным публикациям на тему сверхбыстрой калориметрии, по данным Web of Science. НИЛ сверхбыстрой калориметрии была открыта в 2017 году в рамках программы мегагрантов Правительства РФ под руководством ведущего ученого из Университета Ростока (Германия) профессора Кристофа Шика.