Важнейшие результаты 2013 года

Важнейшие результаты, полученные в учреждении Российской Академии наук Институте Химической Физики им. Н.Н. Семенова РАН в области фундаментальных и прикладных исследований в 2103 году.

1. Государственный эталон единицы количества теплоты в области калориметрии растворения и реакций

 (д.т.н., проф.Ю.Н. Матюшин) 

Направление ФИ №44

Разработан и изготовлен Государственный эталон единицы количества теплоты в области калориметрии растворения и реакций. Отличительными особенностями калориметра являются:

Горизонтальное расположение калориметрического сосуда (Рис.1), что обеспечивает равномерный прогрев всех поверхностей калориметрического сосуда. Перемешивание жидкости осуществляется качанием калориметрического сосуда на 180o вокруг горизонтальной оси в обе стороны.

Схема калориметра
Рис.1. Схема калориметра

Боковой вход в полость изотермической оболочки (Рис.1), что позволило обеспечить ее непрерывное термостатирование в течение рабочего дня, что вместе с простой установкой калориметрического сосуда существенно повышает производительность прибора.

Схема калориметрического сосуда
Рис.2. Схема калориметрического сосуда
Калориметрический сосуд из нержавеющей стали
Рис.3. Калориметрический сосуд из нержавеющей стали

Герметичный калориметрический сосуд (Рис.2, 3), что позволяет работать с летучими растворителями и измерять тепловые эффекты реакций с выделением газообразных продуктов.

Рис.4. Калориметрический сосуд из фторопласта

Для работы с агрессивными средами создан фторопластовый калориметрический сосуд (Рис.4). Высокая точность измерений – 0.01%.

Калориметр принят в качестве эталона Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии и размещен во ВНИИ Метрологии им. Д.И.Менделеева (г. Санкт-Петербург). 

2. Непрерывно-детонационная камера сгорания 
(д.ф.-.м.н., проф. С.М. Фролов) 

Направление ФИ №44

Разработаны и созданы непрерывно-детонационная камера сгорания, работающая на водородновоздушной смеси, и экспериментальный комплекс для огневых испытаний камеры на тяговом стенде с целью доказательства энергоэффективности термодинамического цикла с детонационным сжиганием топлива. Проведено более 40 огневых испытаний. Камера диаметром 400 мм с кольцевым зазором шириной 30 мм создавала тягу до 7.5 кН с максимальным удельным импульсом по топливу 3200 С при одновременном вращении пяти детонационных волн в кольцевом зазоре. В 2014 г. планируется дальнейшее повышение удельного импульса за счет оптимизации конструкции камеры и реактивного сопла. Непрерывно-детонационная камера сгорания предназначена для использования в силовых установках летательных аппаратов нового поколения.

Отдел полимеров и композиционных материалов

3. Разработка препаратов для антимикробной фотодинамической терапии

(д.х.н., проф. А.Б.Соловьева) 
Направление ФИ №46

Впервые показано, что комплексы порфириновых фотосенсибилизаторов с амфифильными полимерами могут проявлять избирательную фотоцитотоксичность по отношению к грамположительным и грамотрицательным микроорганизмам. В частности, оказалось, что комплексы поливинилпирролидона с фотодитазином в условиях фотовозбуждения подавляют рост грамотрицательных бактерий E.coli и мало влияют на грамположительные S.anzeus в культуре первичных фибробластов человека. Это позволяет создавать препараты для антимикробной фотодинамической терапии с избирательной активностью к возбудителям бактериальных инфекций.

4. Новые биоразлагаемые полимерные композиции

(д.х.н. С.З. Роговина, к.х.н. К.В. Алексанян, д.х.н., проф. Э.В. Прут) 

Направление ФИ №46

Впервые разработаны тройные биоразлагаемые композиции, состоящие из полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) и природных полисахаридов двух типов или ПЭНП, полисахарида и синтетического простого полиэфира полиэтиленоксида (ПЭО). Установлено, что в процессе образования тройных композиций (особенно композиций полисахарид–ПЭНП–полисахарид) наблюдается эффект соизмельчения, проявляющийся в появлении более мелкой фракции и увеличении доли мелкодисперсных фракций при уменьшении доли крупных фракций (рис. 1). Введение второго полисахарида или ПЭО способствует увеличению скорости биоразложения композиций (рис. 2). Таким образом, варьируя состав композиций, можно регулировать скорость их разложения, т.е. влиять на протекание биодеструкции. 

Рис. 1. Сравнительные гистограммы распределения частиц двойных и тройных смесей на основе целлюлозы: целлюлоза-ПЭНП (30 : 70 мас. %) (красный), хитин-ПЭНП (50 : 50 мас. %) (зеленый), целлюлоза–ПЭНП–хитин (30 : 40 : 30 мас. %) (синий).
Рис. 2. Микрофотографии поверхности пленок смесей целлюлоза–ПЭНП (30 : 70 мас. %) (а) и целлюлоза–ПЭНП–ПЭО (40 : 40 : 20 мас. %) (б), зараженных спорами грибов через 28 суток.

Отдел проблем химической безопасности, отдел кнетики и катализа, отдел горения и взрыва

5. Энергоустановка на возобновляемых энергоносителях

(д.х.н., проф. В.С. Арутюнов, д.т.н., проф. А.В. Рощин, д.ф.-м.н., проф. В.М. Шмелев)
Направление ФИ №47

Предложено и обосновано принципиально новое техническое решение для высокоэффективной экологически чистой энергоустановки средней мощности, использующей в качестве топлива возобновляемые виды энергоносителей как органической, так и неорганической природы - биогаз и алюминий. При окислении смеси алюминия с водой в волне горения в высокотемпературном «быстром» реакторе осуществляется раздельная генерация водорода и энергетического пара. Полученный водород используется для промотирования горения низкокалорийного биотоплива, осуществляемого в объемном матричном горелочном устройстве. Оба основных узла установки - «быстрый» реактор окисления алюминия и объемное матричное горелочное устройство - являются оригинальными разработками авторского коллектива. Возможность использования низкокалорийного биогаза в такой гибридной энергоустановке обеспечивается особенностями горелочного устройства на основе объемной матрицы и подачей в него водорода, генерируемого при окислении алюминия.

Отдел кинетики и катализа
6. Создание новых исключительно эффективных каталитических систем окисления углеводородов на основе комплексов осмия

(к.х.н. Г.Б. Шульпин, к.х.н. Ю.Н. Козлов) 

Направление ФИ №46

Разработаны новые системы, окисляющие пероксидом водорода углеводороды и другие органические соединения. Катализ осуществляется комбинацией «комплекс осмия - пиридин». По эффективности (число каталитических циклов TON, и скорость реакции, TON в минуту) предложенные системы не имеют себе равных среди комплексов других металлов и даже превосходят алкан-окисляющие ферменты, содержащие железо.

 

Максимальные достигнутые скорости (TON в минуту) окисления алканов на Fe-содержащих ферментах

 

Фермент
Субстрат
Скорость
Цитохром P450BM3 PFC9
Циклогексан
110
Алкан-?-гидроксилаза AlkB
Октан
210
Растворимая ММО
Метан
222

Для сравнения: 
Комплекс А Циклогексан 270 

Полученные результаты открывают возможности создания эффективных каталитических систем низкотемпературной функционализации углеводородов в жидкой фазе.

7. Определение толщин и электронных характеристик наноразмерных оксидных слоев с помощью сканирующей туннельной спектроскопии (теория и эксперимент) 
(д.х.н., проф. Б.Р. Шуб; д.ф.-м.н., проф. М.А.Кожушнер; д.ф.-.м.н. М.В.Гришин; к.ф.-м.н. В.С.Посвянский; к.ф.-м.н. А.К.Гатин) 
Направление ФИ №45

Впервые предложен неразрушающий метод измерения толщин наноразмерных оксидных и других непроводящих слоев с помощью сравнение теоретических и экспериментальных вольт-амперных характеристик туннельных токов, которые зависят от электронных параметров оксида, толщины слоя и расстояния от острия сканирующего туннельного микроскопа до проводящей подложки, позволяет с хорошей точностью определить эти величины. Новый метод позволяет диагностировать свойства наноструктурированных покрытий широкого применения. 

Рис.1 Вольт-амперные характеристики: сплошная линия – эксперимент; точки – теория.

 

 

Таблица 1. Расчетные значения ряда параметров туннельного наноконтакта сканирующего туннельного микроскопа

Экспозиция W в кислороде, Ленгмюры
Толщина оксидного слоя, нм
Расстояние острие-металл, нм
30-300
0.35
0.45
1000
0.36
0.44
3000
0.63
0.27

ОТДЕЛ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА 
8. Исследование свойств резинобитумных вяжущих и асфальтобетонов, модифицированных активным порошком дискретно девулканизованной резины 
(к.ф.-м.н. Никольский В.Г.) 
Направление ФИ №45

Исследована кинетика распада в процессе смешения с битумом частиц активного порошка дискретно девулканизованной резины (АПДДР) – основного компонента модификатора дорожных покрытий «УНИРЕМ»; исследованы структура и свойства резинобитумных вяжущих и свойства асфальтобетонов, модифицированных «УНИРЕМ»:

* впервые установлено, что перемешивание АПДДР с дорожным битумом БНД 60/90 при температуре ? 140о С сопровождается быстрым распадом частиц АПДДР на фрагменты размером от 10 мкм до 30 нм, придающих резинобитумным вяжущим и резино-модифицированным асфальтобетонным покрытиям высокую усталостную стойкость к растрескиванию; 
* исследования по стандартам Superpave (США) модельных резинобитумных вяжущих (МРБВ) показали, что с ростом концентрации АПДДР существенно увеличивается стойкость вяжущего к образованию колеи. 
Работа направлена на улучшение качества автомобильных дорог в отношении устойчивости к колейности и усталостному растрескиванию. Использование АПДДР, получаемого в роторных диспергаторах по технологии высокотемпературного сдвигового измельчения, разработанного в ИХФ РАН, позволяет в 7-40 раз увеличить усталостную прочность асфальтобетонов по сравнению с традиционно применяемыми вяжущими и повысить верхний температурный предел эксплуатации вяжущего на 18оС. 

ОТДЕЛ ДИНАМИКИ ХИМИЧЕСКИХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 
9. Лаборатория физической химии биополимеров (№ 0503) 
(зав. лаб. Ванин А.Ф.)


В экспериментах in vivo на животных обнаружено, что динитрозильные комплексы железа (ДНКЖ) с глутатионом, в отличие от S-нитрозоглутатиона, избирательно действует на незлокачественные эндометриоидные опухоли ЭМО, подавляя их пролиферацию. На ранней стадии эндометриоза – через 4 дня после имплантирования им фрагментов матки внутрибрюшинное введение ДНКЖ полностью блокировало появление ЭМО. В аналогичных опытах через месяц после имплантации (к моменту, когда ЭМО достигали размера 10 мм в диаметре) дальнейший рост ЭМО прекращался. Избирательная блокада ДНКЖ пролиферации ЭМО обусловлена распадом ДНКЖ только вблизи опухолей или внутри них.

10) Лаборатория каталитических окислительных процессов 
(№ 0404) 
(зав. лаб. Самойленко А.А.)

Обнаружено, что нагрузка, создаваемая человеком, вызывает в активированных клетках мозга больных уже на начальной стадии шизофрении накопление важнейшего метаболита, нейронального маркера N-ацетиласпартата (НАА). Методом 1Н ЯМР in vivo исследован метаболизм в зоне активации в премоторной коре. Кинетические зависимости концентрации НАА в премоторной коре в норме и у больных шизофренией и функции гемодинамического ответа на предъявленный стимул указывают на инактивацию (или дефицит) у больных аспартоацилазы, фермента, гидролизующего НАА. Полученные новые фундаментальные представления о функции НАА в нервных клетках могут служить основой для создания неинвазивного способа дифференциальной диагностики психических заболеваний. (Д.б.н. Семенова Н.А.)