Наука / Важнейшие результаты

Важнейшие результаты завершенных фундаментальных исследований в 2012 г.

Получение монофазного Ti3Al с нанометровым размером зерна и покрытий на его основе.
Осуществлен синтез интерметаллида состава Ti3Al, широко востребованного материала для получения изделий и покрытий в различных отраслях машиностроения благодаря высокой жаростойкости при низком удельном весе, в режиме теплового взрыва с использованием предварительно механически активированных смесей реагентов. В отличие от методов традиционного высокотемпературного синтеза полученный продукт имеет нанометровый размер зерна и является монофазным, что важно для пластических свойств и ударной вязкости материала. При исследовании макрокинетики теплового взрыва обнаружено снижение эффективной энергии активации реакции от 313 кДж/моль (без механической активации) до аномально низких значений 10÷15 кДж/моль после 7 мин активации и снижение температуры инициирования теплового взрыва от 660 до 270°С. Максимальная температура теплового взрыва при этом снижается от 950 до 720°С. Полученные продукты использованы для детонационного и плазменного напыления покрытий на стальных и титановых подложках и получения объемных материалов методом SPS-спекания (Spark Plasma Sintering). (Совместно с АлтГТУ).


Milling Time
Аномальное снижение эффективной энергии активации реакции образования Ti3Al после механической активации смеси реагентов в планетарной шаровой мельнице.

Совместно с Институтом гидродинамики им. М.А. Лаврентьева показано, что при помощи гибкого изменения параметров детонационного напыления – стехиометрии ацетилен-кислородной смеси, температуры и скорости напыляемых частиц, природы газа-носителя (азот, аргон) – можно управлять фазовым составом и микроструктурой покрытий. При детонационном напылении в восстановительных условиях порошка монофазного алюминида титана Ti3Al получены покрытия, сохраняющие фазу Ti3Al и содержащие включения фазы нитрида титана TiN при использовании в качестве газа-носителя азота. При напылении Ti3Al в окислительных условиях образуются покрытия, характеризующиеся чередованием слоев оксидов титана. Результаты работы представляют интерес для создания новых материалов и покрытий в машиностроении и аэрокосмической индустрии.

Рентгенограммы
Рентгенограммы поверхности покрытий, полученных при различных стехиометриях ацетилен-кислородной смеси (числа слева) и различных степенях заполнения ствола (числа справа, %)

 

Высокопроводящие протонные проводники - нанокомпозиты с мезопористым металл-органическим полимером Cr-MIL-101
Совместно с Институтом неорганической химии им. А.В. Николаева предложен и развит новый подход к синтезу высокопроводящих протонных проводников путем введения функциональных гостевых молекул в мезопористые металл-органические полимеры. Впервые синтезированы и исследованы транспортные и структурные свойства протонных нанокомпозиционных электролитов на основе сильных неорганических кислот (H2SO4, H3PO4), кислых солей щелочных металлов (CsHSO4) и металл-органического полимера Cr-MIL-101 [Cr2O(H2O)Y(bdc)yHNO3·nH2O, где bdc - 1,4-C6H4(COO2)2, Y = F, NO3, y=0.15, n=13)] с большим объемом регулярных пор и высокой удельной поверхностью.

scheme
Схематическое представление структуры Cr-MIL-101 (слева) и температурные зависимости протонной проводимости нанокомпозиционных систем H2SO4-Cr-MIL-101, H3PO4-Cr-MIL-101 и CsHSO4-Cr-MIL-101 в сравнении с кислотами и лучшими низкотемпературными протонными проводниками (Nafion, MOП) (справа).

Показано, что кристаллическая структура полимера сохраняется в исследуемых системах. Новые композиционные материалы характеризуются высокими значениями протонной проводимости (10-1-10-3 См•см-1) при низкой влажности в области средних температур, термически устойчивы в диапазоне температур до 140-200°С и могут быть перспективны в качестве протонных мембран в электрохимических устройствах.

Синтез наноалмазов при детонации бензотрифуроксана
Методами синхротронного излучения обнаружено, что при детонации бензотрифуроксана образовавшиеся наноалмазы имеют субмикронные размеры, в то время как при детонации системы тротил-гексоген средний размер наноалмазов равен 5 нм. Методом СИ МУРР с временным разрешением 500 нс установлено, что размер возрастает от 50 до 150 Å в течение 3 мкс. Показано, что увеличение диаметра частиц обусловлено перемещением области синтеза алмаза на Р-Т диаграмме в область жидкого углерода. Результаты важны для разработки методов получения технических алмазов (Совместно с ИГиЛ СО РАН, ИЯФ СО РАН).

Saxs--БТФ_1009.jpg
Динамика распределения МУРР при детонации БТФ. Кадр С11 соответствует прохождению детонационной волны. Время между кадрами 0,5 мкс.

Синтез смешанных кристаллов лекарственных веществ
Совместно с Институтом фармации Университета Инсбрука (Австрия) проведено систематическое сравнение эффективности различных методов синтеза смешанных кристаллов лекарственных веществ на примере пироксикама и серии из двадцати карбоновых кислот, большая часть которых разрешена к использованию фармакопеей. Получено 43 различные кристаллические формы, из них 35 – новые. Наиболее эффективной для получения со-кристаллов оказалась совместная механическая обработка компонентов с добавлением капли растворителя; кристаллизация испарением растворов, напротив, давала, как правило, многокомпонентные смеси. Еще хуже были результаты кристаллизации путем охлаждения горячих растворов или высаливания. При кристаллизации с применением последних методов часто образовывались сольваты и гидраты. Таким образом, механохимический метод оказался вне конкуренции для получения со-кристаллов, по крайней мере, в данной системе. Со-кристаллы на основе лекарственных веществ относятся сегодня к числу активно изучаемых объектов, поскольку позволяют решать такие проблемы, как солюбилизация плохо растворимых веществ, их адресная доставка, устойчивость при хранении, таблетируемость и др.


Results
Результаты кристаллизации пироксикама с использованием шести различных методов (вверху) и распределение по получаемым формам в зависимости от метода и использованного растворителя (нижний график, a - эквимолярная смесь, b - 1:1 смесь по массе, 1 - этанол, 2 - ацетон, 3 - ацетонитрил, 4 - ТГФ, 5 - хлороформ).

Способ получения биоэтанола второго поколения
При участии компании АРТЕР Текнолоджи разработан способ получения биоэтанола второго поколения с применением механо-ферментативного гидролиза лигноцеллюлозного сырья. Предварительная химическая обработка растительного сырья привела к снижению энергетических затрат на измельчение в 2 – 8 раз, в зависимости от вида сырья. «Мягкое» измельчение позволило уменьшить содержание ингибитора (лигнина Бьёркмана) в реакционной смеси и снизить, тем самым, расход фермента. Показано, что использование ультразвуковой дискретной механической обработки in situ ускоряет ферментативный гидролиз субстрата до 3 – 4 раз. Степень конверсии целлюлозы составляет 75 %. В отличие от существующих технологий кислотного гидролиза целлюлозы, без дополнительного упаривания раствора получена повышенная концентрация глюкозы (12-14 %), а повышение концентрации спирта после дрожжевого сбраживания субстрата до 3,5 % позволяет проводить его выделение в промышленных условиях.

Hydrolisis
Ферментативный гидролиз древесной дисперсии: 1 – исходный субстрат, 2 – субстрат после измельчения, 4 –после измельчения и действия ультразвука.