Лаборатория нейтронных физико-химических исследований дфмн Лебедев В.Т. Химическая физика и спектроскопия: Комплекс оборудования для синтеза и аттестации. - презентация

1 Лаборатория нейтронных физико-химических исследований дфмн Лебедев В.Т. Химическая физика и спектроскопия: Комплекс оборудования для синтеза и аттестации атомных кластеров и наноструктур (эндофуллерены и производные, углеродные композиты феррочастиц и др.) Нейтронные исследования надатомных структур на реакторе ВВРМ: Дифрактометр Мембрана-2, Модуляционный спин-эхо спектрометр и другие приборы Представительство НОР в Ленинградской области Гатчина

2 koko k1qk1q θ Упругое рассеяние нейтронов: Переданный импульс q =(4π/λ)sin(θ/2) Шкала масштабов R ~ 1/q Современные нейтронные методы и новые возможности неразрушающего контроля наноструктуры функциональных материалов Дифрактометр "Мембрана": 1 – селектор нейтронов, соединен с секциями сменных нейтроноводов; 2 – биологическая защита нейтроноводов; 3 – узел образца; 5 – 2D-детектор перемещается в вакуумной трубе 6 на воздушных подушках 4; 7 – платформа

3 1 - реактор ПИК 2 - устройства транспортировки облученных образцов 3 - горячие камеры 4 - время-пролетный спектрометр неупругого рассеяния нейтронов IN4 5 - спин-эхо спектрометр SEM 6 - RTOF-дифрактометр 7 - SANS "Мембрана" Нанотехнологический Центр Исследования Материалов

4 План расположения научно-исследовательского экспериментального оборудования на отметке + 0,5 Тест Рефлект DС- 5 S- 1 DС- 4 Бета ЯМР ? Ядерн физика РЕВЕРАНС S- 5 S- 6 S- 2 IN-5 UNISON R-4 Пор диф 3-осн сп S- 1 S-4

5 Препаративно-диагностический нанотехнологический комплекс для нейтронных физико-химических и медикобиологических исследований (Техническое Решение о создании научно-исследовательского реакторного комплекса ПИК от г.) Цель Проекта Создание препаративной и диагностической базы для обеспечения разработок по созданию, исследованию и внедрению новых материалов на основе магнитных наноструктур и комплексов с конверторами проникающих излучений в оптический диапазон водорастворимых и биологически совместимых молекулярных структур на основе фуллеренов, эндометаллофуллеренов и нанотрубок и их производных (в частности, водорастворимых) для отечественной науки и техники, и прежде всего радиофармпрепаратов для биологии и медицины

6 Создание нестандартного оборудования млн. руб. Приобретение дополнительного оборудования – млн. руб. Полная стоимость проекта млн. руб. S3-MICRO Bridging the Gap to Synchrotrons

7 Что дают нейтроны? Нейтроны – в ФТТ (конденсированные среды) Длина волны тепловых (холодных) нейтронов ~ межатомных расстояний Энергия ~ энергии элементарных возбуждений kT. Физико-химические исследования: Нейтроны: Горячие - Тепловые – Холодные – Очень Холодные Масштабы – 10 2 нм: Атомные - Межатомные – Молекулярные – Надмолекулярные Физико-химические процессы: Диапазон энергий – 10 0 эВ Требуется освоить области спектра - ГН, ОХН !!! Спектроскопия высокого разрешения - Фурье-методы ОХН-спин-эхо – динамика наноструктур - диапазон микро- и миллисекунд: каталитические процессы, конформационные превращения биополимеров Нечетная динамика: нейтрон возбуждает мягкие сильно затухающие моды системы, передавая малую энергию. Выигрыш в разрешении на порядок и более по сравнению с четным режимом. ГН-Фурье-Спектроскопия – процессы неупругого рассеяния нейтронов на ядрах при химических реакциях: E ~ эВ, времена t ~ ħ/E ~ с – диапазон фемтосекунд! Современные NSE-методы ограничены диапазоном с ! Например, эндофуллерены - динамика атомов внутри углеродной клетки !

8 Направления и объекты исследований 1. Химия и физика углеродных структур: фуллерены (С 60, С 70 и высшие высокой чистоты, стандарты ), эндометаллофуллерены (ЭМФ), углеродные композиты, наноалмазы 2. Молекулярные комплексы и наночастицы: феррожидкости для медицины, содержащие фотодитазин, конверторы излучений, гидрогели с лекарственными препаратами, ферроэластомеры 3. Полимеры сложной архитектуры, сильно ассоциирующие (звездообразные гомо- и гетерополимеры и фуллереновыми центрами, иономеры), мембраны (протонопроводящие, первапорационные) 4. Радиационная физика фуллеренов (ЭМФ), металлов и сплавов, реакторное материаловедение 5. Разработка и модернизация нейтронных приборов и методов (SANS, NSE, ЯДЕРНЫЙ МИКРОАНАЛИЗ НА ПУЧКАХ ПРОТОНОВ И ДЕЙТРОНОВ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО УСКОРИТЕЛЯ ЭСУ-2)

9 1 Комплексная технология получения фуллеренов (с указанием доли расходов на основное оборудование для создания производства 1 кг/месяц чистого С 60 ) Получение фуллереносодержащей сажи (ФСС) Расчетная потребность: ~ 58 кг графитовых электродов Продукт электродугового испарения: ФСС ~ 23 кг (~40 % от веса графита) Отходы электродугового испарения ~ 35 кг Экстрагирование фуллеренов из ФСС о-ксилолом Экстракт фуллеренов ~2100 г (тв.) (объем раствора ~ 420 дм 3 ) Проэкстрагированная сажа (производственные отходы) ~ 21 кг Фракционное концентрирование экстракта Обогащенный концентрат фуллерена С 60 ~ 1250 г (тв.) Обогащенный концентрат фуллерена С 70 ~ 850 г (~ 125 дм 3 раствора) Очистка от фуллерена С 60 Удаление примеси высших фуллеренов Получение чистого фуллерена С 70 (чистота 98 %) ~ 210 г (тв.) Получение концентрата высших фуллеренов ~10 г (тв.) Хроматографическая очистка C 60 Получение товарного продукта ~ 1000 г (~500 дм 3 раствора) (чистота С 60 99,5 %) Отработанный сорбент ~ 2400 г ~ 2400 г Для получения 1 г чистого С 60 требуется 58 г графитовых электродов При получении 1 г чистого С 60 образуется приблизительно 58 г углеродсодержащих отходов. 40 % 23 % 5 % 12 % Лабораторное аналитическое обеспечение 5 % 15 %

10 Некоторые комментарии к составным элементам линии производства чистого С 60 (в количестве 1 кг /месяц): 1. Электродуговое испарение. Плотность тока А/см 2, оптимальная скорость испарения графита ~ 75 г/ч, расчетное количество электродов ~ 58 кг, суммарное время испарения электродов – более 770 рабочих часов, выход ФСС ~ 40 % от веса испаренного графита, содержание фуллеренов в саже ~ 10 % вес. Требуется как минимум два электродуговых генератора. 2. Экстрагирование фуллереносодержащей сажи. Установка производительностью 1,5 – 3 кг сажи за цикл экстрагирования. Длительность цикла – приблизительно 15 рабочих часов. Полнота экстрагирования 95 % при трехкратной промывке сажи о-ксилолом с соотношением Ж/Т = Фракционное концентрирование экстракта. Установка по обработке 1-2 кг экстракта за цикл. Длительность цикла составляет 1-2 рабочих дня. Выход концентрата 60 % от веса фуллеренового экстракта. Конечное содержание С 60 в концентрате 95±2 %. 4. Хроматографическая очистка концентрата фуллерена С 60. Хроматографическая установка производительностью до 1,5 кг по концентрату фуллерена С 60. Выход С 60 (чистотой не ниже 99,5 %) - 80 % от веса загруженного концентрата. Для повышения эффективности производства чистых фуллеренов требуется: 1Разработка технологии утилизации (переработка, регенерация и др.) углеродсодержащих отходов; 2Оптимизация технологии по удалению примеси фуллерена С 60 из концентрата фуллерена С 70 ; 3Оптимизация технологии по очистке концентрата фуллерена С 70 от примесей ВФ; 4 Разработка технологии получения высокообогащенного концентрата ВФ; 5Разработка технологии разделения концентрата ВФ на изомерные смеси индивидуальных фуллеренов С 76, С 78, С 84 и др.; 6Разработка технологии (применительно к условиям проектируемого производства) получения высокочистых фуллеренов С 60 (> 99,9 %) и С 70 (> 99,7); 7Разработка технологии извлечения фуллеренов из отработанных сорбентов; 8Разработка крупно-масштабной технологии получения водорастворимых производных фуллеренов; 9Поиск более эффективных конструкций и модернизация действующих конструкций ЭДГС и режимов электродугового испарения; 10Современное лабораторное обеспечение для технологического контроля и анализа фуллеренов.

11 Получение и исследование высших фуллеренов Лаборатория нейтронных физико-химических исследований Лебедев В.Т., Грушко Ю.С, Седов В.П., Шилин В.А., Козлов В.П., Кукоренко В.В. Масс-спектр концентрата высших гомологов металлофуллеренов гадолиния и пустых фуллеренов, полученного в ПИЯФ Grushko Yu.S., Kozlov V.S., Sedov V.P., Kolesnik S.G., Lebedev V.T., Shilin V.A., Khodorkovsky M.A., Artamonova T.O., Shakhmin A.L., Shamanin V.V., Melenevskaya E. Yu., Konnikov S.G., Zamorianskaya M.V., Tsyrlina E.V., Krzhivitsky P.I. // Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures V.18. N 4. P

12 Нейтронная активация ЭМФ редкоземельного ряда Синтезированы, обогащены, подвергнуты глубокой очистке ЭМФ лантаноидного ряда, изучены условия удерживания при облучении в реакторе ВВРМ для ЭМФ редкоземельных элементов Радиоизотопы для ядерной медицины: 46 Sc, 140 La, 141 Nd, 153 Sm 152 Eu, 154 Eu, 153 Sm, 160 Tb, 169 Yb, 170 Tm (изомеры I и III), 177 Lu. Изучены впервые ;S 46 c 3 80 ; 141 2n, в т. ч. новый класс триметаллонитридных соединений Изотопические и изомерные эффекты при активации нейтронами ЭМФ европия и тулия. Аномально высокое удерживание в реакции 152 2n (n, γ) 153 2n (~ 80%) Распад ЭМФ после активации – быстрые нерадиационные процессы – встряска электронов Получены, испытаны на животных водорастворимые образцы магнитоконтрастных веществ на основе 2n - для разработки эффективных препаратов Lebedev V.T., Grushko Yu.S., Orlova D.N., Kozlov V.S., Sedov V.P., Kolesnik S.G., Shamanin V.V, Melenevskaya E. Yu., Aggregation in hydroxylated endohedral fullerene solutions Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures V.18. N 4. P

13 Звездообразные структуры с одинарным и двойными центрами С 60, полярными и неполярными лучами полистирола (PS), поли-2-винилпиридина (P2VP) - наноматериалы для нелинейной оптики! Корреляционные функции звезд (МЕМБРАНА ПИЯФ; Yellow Submarine, RISSPO, Budapest): (а) масштабы корреляций - для отдельного луча (R CA ), - между соседними (R N ) и диаметрально противоположными лучами (R D ) в 6-лучевой PS-звезде (радиус инерции R S ); (b) непрерывный характер корреляций между лучами в 12- и 22-лучевой звезде. Синтез звезд, соединение С 60 коротким, длинным мостиками (слева, справа) (ИВС РАН, Санкт-Петербург) Lebedev V.T., Vinogradova L.V., Török Gy. Neutron scattering studies of structure and self-assembly of star-shaped polymers with fullerene centres in solutions // Macromolecular Symposia. Wiley-VCH: Verlag GmbH&Co KGaA ("Wiley-VCH") P. (in press)

14 УМНЫЕ (SMART) ЗВЕЗДЫ МИЦЕЛЛЫ Пленки Лэнгмюра-Блотжетт Граница вода-воздух Мицеллы (ПС)6(ПТБМА)6 +Na 2 PdCl 4 Унимицеллы (ПС)7(П2ВП)7 СВОЙСТВА ЗВЕЗДООБРАЗНЫХ ПОЛИМЕРОВ Транспорт гидрофобных препаратов (лекарств)

15 15 Magnetic fluids in medicine Targeted drug delivery MHT (magnetic hyperthermia) in treating tumours Magnetic photosensitizers for PDT (photodynamic therapy)

16 16 Photodithazine Chlorine e 6 derivative. The most effective Russian sensitizer for PDT ( = 662 nm). OOO Veta-grand. The task was to increase the contrast between tumour and normal cells by preparation localization on magnetic fluid particles and guiding them by external magnetic field. Copolymer pluronic F-127 was used to increase photodithazine efficiency and biocompatibility. n = 60, m = 200.

17 Иономеры и гидрогели из взаимопроникающих сеток

18 Фундаментальные проблемы и направления Self-assembly, dynamics (in confinement) Механизмы самоорганизации наноразмерных систем в различных физических (химических) условиях (растворы, блок, воздействия физических полей, температур) Функциональные материалы: Проблема Структура и функции (катализаторы, нанореакторы, направленный молекулярный транспорт – мембраны, частицы-носители) Цель – оптимизировать структуру для выполнения функций! Проблема Сохранение устойчивости структуры и физ.-хим. свойств в экстремальных условиях, механизмы деградации Воздействие ионизирующих излучений (гамма, быстрые нейтроны), Анализ структуры дефектов, кинетики их образования, взаимодействия Радиационная физика - эндофуллерены, кристаллы природного и синтетического кварца, реакторные стали и сплавы, сварные соединения в условиях механических и термических нагрузок