Пятнадцатый Всероссийский семинар «Физико-химия поверхностей и наноразмерных систем» прошёл в Институте физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина Российской академии наук с 15 по 17 апреля 2025 года.

Семинар проводится ежегодно под эгидой Научного совета РАН по физической химии. Председатель семинара — академик РАН Людмила Бойнович. В семинаре приняли участие институты РАН из Москвы, Санкт-Петербурга, Дубны, Иркутска, Казани и Уфы, а также более 10 университетов из разных городов, в том числе Москвы, Екатеринбурга, Томска, Санкт-Петербурга.

Тематика семинара:

• Фундаментальные коллоидно-химические аспекты нанотехнологий.

• Экспериментальные методы исследования поверхностей и нанодиагностика.

• Численные методы исследования поверхностных явлений и наносистем.

• Смачивание, капиллярные явления, нанофлюидика, супергидрофобность и супергидрофильность.

На семинаре были представлены новейшие разработки в области физической химии поверхности и свойств наночастиц и экспериментальные исследования в области измерения адгезии, самосборки, химического магнетизма, ионных жидкостей, поверхностных сил и др. Результаты ряда работ уже в ближайшее время могут быть использованы в промышленных технологиях по производству покрытий с повышенной устойчивостью и уникальными функциональными свойствами для медицины, электроэнергетики и других областей с целью формирования технологического суверенитета России.

Как принято на данном семинаре, доклады активно обсуждались, и авторы получили ценную обратную связь от научного сообщества о путях дальнейшего развития представленных ими работ. Ряд докладов был сделан сотрудниками ИФХЭ РАН.

Ведущий научный сотрудник лаборатории физикохимии коллоидных систем ИФХЭ РАН доктор физико-математических наук Дмитрий Тытик в составе авторского коллектива из ИСАН РАН, ИОФ РАН, НИУ ВШЭ и ИФХЭ РАН принял участие в подготовке методического доклада «Лазерная микроскопия наночастиц в водных растворах: реальные возможности и применения». Доклад был представлен доктором физико-математических наук профессором Юрием Вайнером (ИСАН РАН).

Ведущий научный сотрудник лаборатории поверхностных сил ИФХЭ РАН доктор физико-математических наук Виталий Световой в соавторстве с коллегами из ФТИАН РАН рассказал об «Измерении энергии адгезии между Si и Au, индуцированной дисперсионными силами». В докладе были обобщены результаты пятилетних экспериментов. Виталий Световой отметил, что методом залипшего кантилевера удалось измерить адгезию между кремнием и золотом с точностью до 10 %, что является наилучшим результатом на сегодня. Он подчеркнул, что в области залипания можно пренебречь короткодействующими и капиллярными силами, ограничиваясь рассмотрением дисперсионных и электростатических сил; при этом шероховатость имеет большое значение. Виталий Борисович отметил, что при дальнейшем совершенствовании экспериментальной установки необходимо исключить погрешности, связанные с толщиной кантилевера и с электростатическим воздействием.

Старший лаборант лаборатории поверхностных сил ИФХЭ РАН Тимофей Голубитченко в составе коллектива авторов из ИФХЭ РАН и ИОХ РАН сделал доклад об экспериментальной работе «Особенности применения ионных жидкостей, полифторполиэфирных и полидиметилсилоксановых смазок в качестве пропиток для SLIPS». Чтобы определить, как изменятся свойства пропиток при длительном контакте с атмосферными осадками, был использован новый подход, основанный на наблюдении за поверхностным натяжением сидячей капли воды на поверхности гидрофобных покрытий или скользких пористых покрытий с пропиткой (SLIPS). Долговечность пропитки зависит от двух факторов: скорости истощения смазочного материала, запасеёного в поре, и стабильности смачивающих плёнок на поверхности.

Исследование показало, что заменяя функциональные группы, присоединённые к имидазолу и меняя положение имидазольного кольца в молекуле, можно гибко управлять плотностью, вязкостью и поверхностным натяжением синтезированных ионных жидкостей. В докладе сделан вывод, что из изученных ионных жидкостей для применения в качестве смазочных материалов для регулярно восполняемых SLIPS лучше подходят монокатионные бис(трифторметилсульфонил)имидные ионные жидкости с алкильными или смешанными алкильными/силоксановыми линкерами.

Заведующий Международной лабораторией САММА НИУ ВШЭ кандидат физико-математических наук Григорий Смирнов совместно с ведущим научным сотрудником лаборатории новых физико-химических проблем ИФХЭ РАН доктором физико-математических наук Анатолием Ходаном представил доклад «Нанофибриллы оксигидроксидов алюминия: изучение феномена формирования и 1D роста на поверхности жидких сплавов Me(Al), где Me = Hg, Ga, In, Sn, Bi, Pb и расплава Al при окислении парами воды». Актуальность этой работы обусловлена тем, что механизм формирования и роста 1D нанофибрилл оксигидроксидов алюминия в системе Al–H₂O до настоящего времени остаётся нерешённой фундаментальной физико-химической проблемой. В докладе были обобщены результаты экспериментальных исследований морфологии и структурно-фазового состояния 1D наноматериалов, полученные в ИФХЭ РАН, и оценки параметров бемитоподобных структур, выполненные методами компьютерного моделирования в НИУ ВШЭ. Важным результатом этой работы явилась количественная оценка параметров базового структурного модуля в 1D нанофибриллах, сохраняющих практически постоянную величину диаметра в пределах 5–9 нм в широком диапазоне температур синтеза: от 20 до 670 °С!

Сотрудники ИФХЭ РАН продолжают развивать методы синтеза 1D-наноматериалов и высокопористых монолитных 3D-наноструктур и искать возможности для их практического применения. Показано, что 1D и 3D-наноматериалы, выращенные на поверхности жидкометаллических расплавов, обладают физико-химическими свойствами, близкими к классическим аэрогелям, но принципиально отличаются способом их получения: это одностадийный процесс окисления поверхности сплавов при отсутствии жидкой фазы.

От коллектива авторов ИФХЭ РАН выступил главный научный сотрудник лаборатории поверхностных сил ИФХЭ РАН доктор физико-математических наук Александр Емельяненко с докладом «Использование экстремального смачивания при создании антибактериальных материалов нового поколения». Масштабные исследования посвящены материаловедческому подходу к борьбе с распространением больничных инфекций. В мире наблюдается снижение смертности от болезней, и только смертность от больничных инфекций, т. е. тех, которыми пациенты заражаются в стационарах, растёт, и этот рост ускоряется. Ситуация усугубляется ещё и тем, что у бактерий — возбудителей таких инфекций — быстро формируется резистентность к антибиотикам и дезинфицирующим средствам, применяемым для борьбы с ними. Предлагаемый в докладе А.М. Емельяненко способ борьбы с больничными инфекциями — использовать материалы с экстремальным смачиванием, чтобы сделать бактериально чистыми поверхности касания (ручки, перила, кнопки лифтов, стены — все поверхности, до которых дотрагиваются персонал, посетители и пациенты больницы).

Александр Михайлович рассказал о бактерицидных и бактериостатических свойствах супергидрофобных и супергидрофильных покрытий. Он подчеркнул, что проведённые лабораторные исследования и эксперименты в стационарах убедительно показывают, что создание специальной морфологии и химического состава поверхностей касания, которые препятствуют закреплению и развитию бактерий на них, позволяют значительно сократить бактериальную нагрузку на людей. Так, исследования показали, что везде, где на поверхности касания было нанесено покрытие с экстремальным смачиванием, бактериальная загрязнённость снизилась в 3-4 раза.

В ходе обсуждения Александру Михайловичу был задан вопрос об устойчивости покрытия. Докладчик рассказал, что, действительно, после 90 дней эксплуатации наблюдалось снижение бактериальной активности. В настоящее время научной группой предложена технология по быстрой замене покрытия: покрытие наносится на самоклеящуюся металлизированную пленку и заменяется, как только оно начинает терять свои антимикробные свойства.

Ведущий научный сотрудник лаборатории поверхностных сил ИФХЭ РАН кандидат химических наук Кирилл Емельяненко от коллектива авторов из ИФХЭ РАН представил доклад «Физико-химическая модификация поверхностей: от управления смачиванием к снижению токов утечки в линиях электропередачи». Потери на коронный разряд в России составляют более 40 миллиардов рублей в год. В настоящее время наиболее распространённый способ борьбы с коронным разрядом — снижение напряжения в сети при неблагоприятных погодных условиях; таким образом, как раз тогда, когда потребитель нуждается в большем количестве электроэнергии, он получает её меньше. Кирилл Александрович рассказал, что исследования по защите от коронного разряда через управление смачиванием ведутся в лаборатории поверхностных сил ИФХЭ РАН давно.

В данном исследовании было решено обратить внимание на супергидрофильные покрытия, недостаток которых, по сравнению с супергидрофобными, состоит в неустойчивости к коррозии и повышенной адгезии льда к таким покрытиям. Лёд накапливается на проводе, и провод рвется под его весом. Чтобы избавиться от этих недостатков, на провод наносилась тонкая плёнка гидрофильного вещества, которая значительно повышала стойкость провода к коррозии и обледенению. Кирилл Александрович отметил, что подбор состава для этого вещества представлял довольно трудоемкую задачу. Когда состав был найден, плёнка из вещества этого состава была нанесена на провода с текстурированной поверхностью и на провода из гладкого алюминия (контрольные образцы).

Испытания проводились на установке в Новосибирске. Выяснилось, что гидрофильная плёнка существенно снижает потери на коронный разряд как для текстурированного провода, так и для провода из гладкого алюминия. Кирилл Александрович объяснил, что и в том, и в другом случае капли воды стекают на нижнюю часть провода и свисают с него толстыми линзами с большим радиусом кривизны, поэтому коронирование ограничено нижней частью провода.

Эксперименты показали, что длительная выдержка в условиях коронного разряда не приводит к деградации покрытия, поскольку, во-первых, коронный разряд очищает его, разлагая загрязнения, неизбежно попадающие на провод из атмосферы и ухудшающие его гидрофильные свойства. Во-вторых, водная плёнка предохраняет покрытие от неблагоприятных факторов, сопутствующих коронному разряду (ультрафиолетовое излучение, озон).

Кирилл Александрович подчеркнул, что важность этой работы состоит в выявлении того факта, что наиболее дорогостоящий этап при изготовлении супергидрофильного провода — нанесение на него текстуры — оказывается избыточным. Плёнка существенно снижает коронирование на гладком проводе. Хотя нанесение плёнки увеличивает стоимость изготовление провода примерно на 30 %, плёнка достаточно уменьшает потери электроэнергии, чтобы окупить применение более дорогой технологии. Кроме того, из-за уменьшения адгезии льда провода меньше будут рваться, и их реже нужно будет заменять. Поскольку подавляющее большинство линий электропередач в стране находятся не в аридных, т. е. не в засушливых, областях, защита от коронного разряда актуальна практически для всех регионов России, и у работы есть большие перспективы по промышленному использованию.

Заведующий лабораторией структурно-морфологических исследований ИФХЭ РАН кандидат химических наук Алексей Шапагин выступил с докладом «Разрушение переходных зон в реакто-термопластичных системах». Он подчеркнул, что межфазные диффузионные зоны в реакто-термопластичных системах и структурообразование в них в процессе химической реакции отверждения до настоящего времени были изучены недостаточно, что определило актуальность данной работы.

Алексей Викторович отметил крайнюю важность понимания физико-химических процессов, происходящих на межфазных границах при склеивании термопластов эпоксидными клеями и армировании эпоксидных связующих полимерными волокнами. Изучение отверждённых диффузионных зон эпоксид — термопласт имеет большое значение также для прогнозирования распространения трещины в процессе разрушения клеевых и волокнистых композиций.

В докладе были представлены исследования распространения трещины в диффузионных зонах эпокси-термопластичных композиционных материалов на примере модельной системы полиэфирсульфон — ЭД-20 отверждённой диаминодифенилсульфоном. Изучение растворимости компонентов, определение концентрационных профилей при различных температурно-временных режимах, исследование фазовой структуры в диффузионной области эпокси-полиэфирсульфоновой системы показали, что отверждённая система характеризуется гомогенной структурой диффузионной области. Этот факт позволил изучать влияние диффузионного профиля на зону локализации трещины при разрушении межфазной границы без учёта влияния дисперсных и взаимопроникающих структур, обычно формирующихся при отверждении реакто-термопластичных систем.

Методом рентгеноспектрального элементного микроанализа была определена концентрационная область распространения трещины в межфазной области при расслаивании исходных компонентов. В результате было установлено, что концентрационная область диффузионной зоны, по которой распространяется трещина, определяется скачком на диффузионном профиле, возникшем вследствие нахождения данной концентрационной области в застеклованном состоянии при температуре отверждения системы. Полученный результат, как отметил докладчик, в дальнейшем будет апробирован на системах, характеризующихся различными температурами стеклования исходных компонентов.

Полный список докладов можно посмотреть на сайте мероприятия.

Текст: Ольга Макарова.
Источник: пресс-служба ИФХЭ РАН.