Хімічний «ніс» для пошуку вибухівки
…а також інших небезпечних речовин та елементів винайшли київські вчені.
Молоді кандидати хімічних наук Сергій Колотилов і Костянтин Гавриленко з Інституту фізичної хімії ім. Л.В.Писаржевського НАНУ вивчають властивості композиційних матеріалів, до складу яких уведені магнітні частинки. Отримані нанокомпозити дозволяють упроваджувати принципово нові технології для пошуку слідів присутності тих або інших речовин. Сфера їхнього застосування надзвичайно широка — від різних видів виробництва та оперативної діяльності правоохоронних органів до медичної діагностики й побуту. Премія Верховної Ради, яку здобули вчені, — підтвердження важливості їхніх розробок. Залишилося тільки знайти партнерів, зацікавлених у їхньому впровадженні.
Про суть відкриттів розповідає один з їхніх авторів старший науковий співробітник інституту Сергій Колотилов.
— Сергію, наскільки мені відомо, ви займаєтеся науковими дослідженнями мало не зі шкільної лави…
— Так. У 1994 році я вступив на хімічний факультет Київського національного університету ім. Шевченка й відразу ж став співробітником інституту фізхімії. Мене привів сюди Віталій Валентинович Павлищук, який займався тоді підготовкою школярів до хімічних олімпіад і з яким я познайомився ще учнем 10-го класу. Він став моїм науковим керівником, а зараз професор Павлищук — заступник директора інституту.
Віталій Валентинович запропонував нашій лабораторії займатися так званими поліядерними комплексами. Моїм співавтором став Костянтин Гавриленко, з яким ми також знайомі ще зі школи й починали ці дослідження разом. І премію нам присуджено спільно за цикл робіт — дослідження мультиспінових поліядерних комплексів.
Якщо в одній частці зв’язати кілька іонів металу, то завдяки їхній взаємодії можуть виникати незвичайні магнітні або електрохімічні властивості. Наприклад, якщо розглядати окремі іони металу, то в кожного з них є свій магнітний момент. А якщо магнітні моменти окремих атомів орієнтовані паралельно один одному, виникає феромагнітне упорядкування. Дослідження умов, за яких воно з’являється, допомагає створювати нові типи магнітних матеріалів з унікальними властивостями.
Власне, зараз ми займаємося пористими магнітними наноматеріалами. У цілому їх можна одержати різними способами. Один із них: беремо готові молекули із заданими магнітними властивостями, ті самі поліядерні комплекси. Молекули мають складну просторову структуру, тому коли вони з’єднуються між собою за допомогою лігандів, у матеріалі залишаються пори. Збираючи їх так, щоб між окремими «цеглинками» були просвіти, одержуємо наноматеріали із заданими властивостями.
— За рахунок чого утворюється пористість?
— За рахунок особливого укладання «цеглинок». Унаслідок дії хімічних сил окремі молекули збираються в просторові ґрати.
— Де може застосовуватися такий матеріал?
— Наприклад, у суперконденсаторах. Як відомо, їхня ємність залежить від площі електродів. Якщо зробити їх пористими, площа, а отже і ємність, такого конденсатора багаторазово збільшується. Але при цьому самі електроди не зобов’язані мати магнітні властивості. З’явилася ідея поспостерігати, що буде, коли в пори помістити який-небудь субстрат. Можна чекати на появу незвичайних, але заздалегідь заданих реакцій на зовнішній магнітний вплив. Виявилося, такі матеріали можуть реагувати як сенсорні датчики. Один із варіантів — заливати в пори етиловий спирт. За такої процедури магнітні властивості сполуки значно збільшуються.
— Тобто проспиртований матеріал буде більш магнітним, ніж «безалкогольний»?
— Так, при тому, що сам по собі спирт — діамагнетик. Ми досліджували як наповнювачі всілякі рідини — воду, етиловий, метиловий, бутиловий спирт, ацетонітрил та інші, і в нас виходили сполуки різного забарвлення й із різними магнітними властивостями. Індикатор за кольором виявився досить чутливим. Це важливий результат: ми можемо визначати вміст якоїсь речовини в рідині або в повітрі за тим, якого кольору набуде речовина на датчику. Причому зміну кольору можна бачити без допомоги приладів, на око.
— Іншими словами, передбачається створити щось на зразок хімічного «носа»?
— Правильно. А потім уже можна підтвердити показання колірного індикатора ще й змінами магнітних властивостей матеріалу детектора. Далі. Сенсори мають бути багаторазовими. Мало один раз вимірити склад води або повітря, треба вміти повернути сенсор у вихідний стан, щоб проводити подальші дослідження. Це сьогодні одне з основних завдань, розв’язуваних у лабораторії: підвищити кількість циклів, які здатний витримати матеріал індикатора. І друге завдання — підвищити селективність датчиків, щоб його речовина взаємодіяла тільки з одним із десятків, а то й сотень можливих субстратів.
— А як можна використовувати магнітні властивості таких сполук?
— Теж для селективної діагностики, але вже за магнітним полем. Це досить перспективна тема. У світі таких матеріалів і досліджень із них небагато. Аналоги є, але поки не вийшли з лабораторій. Сенсори можна настроїти на все що завгодно, наприклад, на виявлення слідів вибухових речовин у аеропортах та інших місцях скупчення людей. Аналізатор запаху змінює колір за наявності в приміщенні вибухівки або наркотиків. Такі дослідження вже проводяться. Або інший приклад: під час передпродажної підготовки, наприклад, риби вкладають у пластикову упаковку смужку з індикатором гниття. Покупець дивиться: якщо вона змінила колір, то «осетрина не першої свіжості». Ми розробляємо також індикатор наявності домішок у бензині. Тут важлива принципова можливість швидко, без довгих аналізів виявити слабкі запахи. Застосування «хімічного носа» може бути дуже широким.
— Наскільки чутливі ці сполуки до «сторонніх» запахів?
— Остаточних оцінних результатів у нас поки нема, усе в процесі розробки. Нагадаю, усе сказане стосується одного способу створення пористих наноматеріалів: ми беремо готові магнітні блоки-молекули й збираємо з них пористу структуру. Однак є й інший підхід — можна взяти магнітні наночастинки, допустимо, оксид заліза, і ввести їх у пористу матрицю, що сама по собі не є магнітною. Наразі отримано досить багато таких речовин — на зразок поролонової губки під загальною назвою «мезапористе молекулярне сито». Звичайно вони робляться із кремнієвих сполук із порами розміром 3 нанометри. У цю кремнеземну матрицю ми певним способом уводимо магнітні наночастинки. Утворюються міцні зв’язки між губкою й частинками, вони стають єдиним цілим — композитним матеріалом. Пориста складова відповідальна за абсорбцію, а магнітна — за магнітні властивості. Такий матеріал може застосовуватися, наприклад, у медичній діагностиці. Щоб побачити підозрілі клітини (палички Коха в разі туберкульозу або ракові клітини), їх треба сконцентрувати з узятої проби біоматеріалу. Для цього на пористий компонент («губку») треба нанести речовину, що специфічно зв’язуватиме ракові клітини, і помістити в сироватку крові. Тепер до пробірки піднесемо магнітне поле. Частинки «губки» зберуться біля одного з полюсів магніту — разом із приєднаними «чужими» клітинами. При цьому вилучення композита із пробірки відбувається без фільтрування, за допомогою самого лише магнітного впливу. Це, звичайно, не спосіб лікування раку, тільки діагностика, але для лікарів вона може бути дуже важливою.
— У якому стані впровадження ваших розробок?
— Маємо патенти на багато відкриттів, зроблених у нашому інституті. Наприклад, на вилучення гама-глобуліну з рідких середовищ. Є декілька патентів на одержання різних композитів, про які я розповідав. Ми довели принципову можливість використовувати такі методи в медицині. Провели якісне й кількісне дослідження декількох таких матеріалів, розробили основи теорії. Тепер для впровадження цих відкриттів треба знайти зацікавлених партнерів — медиків, біологів. Поки в нашій країні ми таких людей не знайшли.
Довідка «УТГ»
Комплекси в хімії — сполуки, у яких присутні кілька іонів металу, зв’язаних лігандами (від лат. ligo — зв’язую). Це атом, іон або молекула, безпосередньо пов’язана з одним або декількома центральними атомами металу в комплексній сполуці. Відповідно поліядерний комплекс — це сполука, у молекулі якої є кілька іонів металу, оточених лігандами й зв’язаних один з одним за допомогою місткових груп.
