Химический «нос» для поиска взрывчатки
…а также других опасных веществ и элементов изобрели киевские ученые.
Молодые кандидаты химических наук Сергей Колотилов и Константин Гавриленко из Института физической химии им. Л.В.Писаржевского НАНУ изучают свойства композиционных материалов, в состав которых введены магнитные частицы. Полученные нанокомпозиты позволяют внедрять принципиально новые технологии для поиска следов присутствия тех или иных веществ. Сфера их применения – самая широкая: от различных видов производства и оперативной деятельности правоохранительных органов до медицинской диагностики и быта. Премия Верховной Рады, которую получили ученые, – подтверждение важности их разработок. Дело за малым – найти партнеров, заинтересованных в их внедрении.
О сути сделанных открытий рассказывает один из их авторов старший научный сотрудник института Сергей Колотилов.
— Сергей, насколько мне известно, вы занимаетесь научными исследованиями чуть ли не со школьной скамьи…
— Да. В 1994 году я поступил на химический факультет Киевского национального университета им. Шевченко и сразу же стал сотрудником института физхимии. Меня привел сюда Виталий Валентинович Павлищук, занимавшийся тогда подготовкой школьников к химическим олимпиадам, с которым я познакомился еще будучи учеником 10-го класса. Он стал моим научным руководителем, а сейчас профессор Павлищук — заместитель директора института.
Виталий Валентинович предложил нашей лаборатории заниматься так называемыми полиядерными комплексами. Моим соавтором стал Константин Гавриленко, с которым мы также знакомы еще со школы и начинали эти исследования вместе. И премия нам присуждена совместно за цикл работ – исследования мультиспиновых полиядерных комплексов.
Если в одной частице связать несколько ионов металла, то благодаря их взаимодействию могут возникать необычные магнитные или электрохимические свойства. Например, если рассматривать отдельно взятые ионы металла, то у каждого из них присутствует свой магнитный момент. А если магнитные моменты отдельных атомов ориентированы параллельно друг другу, возникает ферро-магнитное упорядочивание. Исследование условий, при которых оно появляется, помогает создавать новые типы магнитных материалов с уникальными свойствами.
Собственно, сейчас мы занимаемся пористыми магнитными наноматериалами. В целом их можно получить разными путями. Один из них: берем готовые молекулы с заданными магнитными свойствами, те самые полиядерные комплексы. Молекулы имеют сложную пространственную структуру, поэтому когда они соединяются между собой при помощи лигандов, в материале остаются поры. Собирая их так, чтобы между отдельными «кирпичиками» оставались просветы, получаем наноматериалы с заданными свойствами.
— За счет чего образуется пористость?
— За счет особой укладки «кирпичиков». При действии химических сил отдельные молекулы собираются в пространственную решетку.
— Где может применяться такой материал?
— Например, в суперконденсаторах. Как известно, их емкость зависит от площади электродов. Если сделать их пористыми, площадь, а значит и емкость, такого конденсатора многократно увеличивается. Но при этом сами электроды не обязаны обладать магнитными свойствами. Появилась идея: понаблюдать, что произойдет, если в поры поместить какой-либо субстрат. Можно ожидать появления необычных, но заранее заданных реакций на внешнее магнитное воздействие. Оказалось, подобные материалы могут реагировать как сенсорные датчики. Один из вариантов – заливать в поры этиловый спирт. При такой процедуре магнитные свойства соединения намного увеличиваются.
— То есть проспиртованный материал будет более магнитным, чем «безалкогольный»?
— Да, при том, что сам по себе спирт – диамагнетик. Мы исследовали в качестве наполнителя самые различные жидкости – воду, этиловый, метиловый, бутиловый спирты, ацетонитрил и другие, и у нас получались соединения различной окраски и с разными магнитными свойствами. Индикатор по цвету оказался довольно чувствительным. Это важный результат: мы можем определять содержание некоего вещества в жидкости или в воздухе по тому, какой цвет примет вещество на датчике. Причем изменение цвета можно видеть без помощи приборов, на глаз.
— Иными словами, предполагается создать нечто наподобие химического «носа»?
— Совершенно верно. А потом уже можно подтвердить показания цветового индикатора еще и изменениями магнитных свойств материала детектора. Далее. Сенсоры должны быть многоразовыми. Мало один раз измерить состав воды или воздуха, надо уметь вернуть сенсор в исходное состояние, чтобы проводить дальнейшие исследования. Это сегодня одна из основных задач, решаемых в лаборатории, – увеличить количество циклов, которые способен выдержать материал индикатора. И вторая задача – повысить селективность датчиков, чтобы его вещество взаимодействовало только с одним из десятков, а то и сотен возможных субстратов.
— А как можно использовать магнитные свойства таких соединений?
— Тоже для селективной диагностики, но уже по магнитному полю. Это довольно перспективная тема. В мире таких материалов и исследований по ним немного. Аналоги существуют, но пока не вышли из лабораторий. Сенсоры можно настроить на все что угодно, например, на обнаружение следов взрывчатых веществ в аэропортах и других местах скопления людей. Анализатор запаха меняет цвет при наличии в помещении взрывчатки или наркотиков. Такие исследования уже проводятся. Или другой пример: при предпродажной подготовке, например, рыбы вкладывают в пластиковую упаковку полоску с индикатором гниения. Покупатель смотрит: если она поменяла цвет, значит, «осетрина не первой свежести». Мы разрабатываем также индикатор наличия примесей в бензине. Здесь важна принципиальная возможность быстро, без долгих анализов обнаружить слабые запахи. Применение химического «носа» может быть очень широким.
— Насколько чувствительны данные соединения к «посторонним» запахам?
— Окончательных оценочных результатов у нас пока нет, все в процессе разработки. Напомню, все сказанное выше относится к одному способу создания пористых наноматериалов: мы берем готовые магнитные блоки-молекулы и собираем из них пористую структуру. Однако есть и другой подход — можно взять магнитные наночастицы, допустим, оксид железа, и ввести их в пористую матрицу, которая сама по себе не является магнитной. В настоящее время получено довольно много таких веществ — наподобие поролоновой губки под общим названием «мезапористое молекулярное сито». Обычно они делаются из кремниевых соединений с порами размером 3 нанометра. В эту кремнеземную матрицу мы определенным способом вводим магнитные наночастицы. Образуются прочные связи между губкой и частицами, они становятся единым целым – композитным материалом. Пористая составляющая ответственна за абсорбцию, а магнитная – за магнитные свойства. Такой материал может применяться, например, в медицинской диагностике. Чтобы увидеть подозрительные клетки (палочки Коха при туберкулезе или раковые клетки), их нужно сконцентрировать из взятой пробы биоматериала. Для этого на пористую компоненту («губку») надо нанести вещество, которое будет специфически связывать раковые клетки, и поместить в сыворотку крови. Теперь к пробирке поднесем магнитное поле. Частички «губки» соберутся возле одного из полюсов магнита – вместе с присоединенными «чужими» клетками. При этом извлечение композита из пробирки проходит без фильтрования, только при помощи магнитного воздействия. Это, конечно, не способ лечения рака, только диагностика, но для врачей она может быть очень важной.
— В каком состоянии внедрение ваших разработок?
— У нас есть патенты на многие открытия, сделанные в нашем институте. Например, на извлечение гамма-глобулина из жидких сред. Есть ряд патентов на получение разного вида композитов, о которых я рассказывал. Мы доказали принципиальную возможность использовать такие методы в медицине. Провели качественное и количественное исследование ряда таких материалов, разработали основы теории. Теперь для внедрения этих открытий нужно найти заинтересованных партнеров – медиков, биологов. Пока в нашей стране мы таких людей не нашли.
Справка «УТГ»
Комплексы в химии — соединения, в которых присутствуют несколько ионов металла, связанных лигандами (от лат. ligo — связываю). Это атом, ион или молекула, непосредственно связанная с одним или несколькими центральными атомами металла в комплексном соединении. Соответственно полиядерный комплекс – это соединение, в молекуле которого есть несколько ионов металла, окруженных лигандами и связанных друг с другом посредством мостиковых групп.
