21 ноября 2017 Г. Нанотехнологии и наноматериалы Российские нанотехнологии STRF.RU регистрация вход

   
Приложение журнала «Российские нанотехнологии» для iPad
Главная / Новости и События / Интервью
Редколлегия
Контакты
Размещение рекламы
Партнёры
форум
В мире НАНО
Реклама

SCOLAR.RU

Новости и События

Интервью

15.01.2008
Дендримеры как наноструктурированные объекты: перспективы и сферы использования

На вопросы корреспондента «Российского электронного наножурнала» отвечает Азиз Музафаров, заведующий лабораторией синтеза элементоорганических полимеров Института синтетических полимерных материалов им. Ениколопова Н.С., доктор химических наук, член-корр. РАН

Азиз Мансурович, Ваша лаборатория занимается синтезом и исследованием полимеров, в том числе и такой их разновидности как дендримеры.  Расскажите, пожалуйста, чем они отличаются от привычных полимерных соединений, и почему их относят к наноструктурированным объектам?

Все классические полимеры можно условно разделить на три основных класса. Это линейные системы, у которых одно из измерений намного больше всех остальных, разветвлённые полимеры, отличающиеся тем, что в рамках одного измерения у них есть ответвления, соизмеримые по размеру, и сетчатые системы - пространственные клетчатые структуры. Когда ученые синтезировали дендримеры и попытались их классифицировать, то оказалось, что их нельзя отнести ни к одной из этих групп. Со временем дендримеры и другие подобные объекты объединили в отдельный класс и стали называть «молекулярными нанообъектами».

Принципиальное отличие дендримеров от других видов полимеров состоит в том, что у них есть определённая форма и размеры. Молекула обычного полимера - это что-то вероятностное: она находится в постоянном движении, может принимать любую форму (в растворе или расплаве) и форму эту довольно трудно просчитать. Молекулы же дендримеров имеют определённую форму и размер. В то же время, они обладают практически всеми свойствами классических макромолекул: образуют молекулярные растворы, реагируют на качество растворителя, функциональны, способны к дальнейшим превращениям.

Можно сказать, что дендримеры являются одновременно и макромолекулами, и частицами. Благодаря своим калибровым размерам, выстраиваясь, молекулы дендримеров образуют равномерный тонкий нанослой, который невозможно получить из классического полимера. То, что дендримеры являются частицами, очень хорошо видно из этого изображения, полученного с помощью атомно-силового микроскопа. Размер одного объекта – 9 нанометров. Можно получить частицы и с меньшими, и с большими размерами. Это зависит от того, на какой стадии вы прервете синтез и выделите дендример.

Изображение карбосиланового дендримера 9-ой генерации, полученное с помощью атомно-силового микроскопа.

Суть синтеза дендримеров заключается в следующем: берётся точечный функциональный центр и на нем формируется, можно сказать «накручивается», молекулярная структура слой за слоем. Самое главное условие синтеза заключается в следующем: молекула не будет расти дальше, пока не проконтролируешь, что очередной слой полностью сформирован. Сформировали слой – начинаете растить второй, третий, четвертый, пятый и т.д. Дендримеры внутри одного гомологического ряда различаются по числу слоев и называются генерациями: G-1, G-2,…G-10.

Таким образом, дендримеры - регулярные и весьма организованные системы. Сейчас мы находимся на такой стадии их исследования, когда по структуре можем предсказать их основные свойства. Это очень важная веха, ведь взаимосвязь «структура – свойства» -  основа, на которой со времен А.М. Бутлерова зиждется, вся органическая, а вслед за ней, и полимерная химия. Следующий этап – научиться эффективно регулировать свойства дендримеров, управлять ими и искать сферы их практического применения. Этим мы  сейчас и занимаемся.

Какими особенными свойствами обладают дендримеры и как их можно использовать?

Каждая разновидность дендримеров обладает тем или иным комплексом свойств. Но у них есть и общие качества, которые позволяют прогнозировать сферы их применения. Это хорошая растворимость и  низкая вязкость растворов при высоких значениях молекулярных масс, отсутствие дисперсности как по структуре, так и по величине молекулярной массы, что характерно для низкомолекулярных соединений. Кроме всего прочего нужно отметить колоссальную  синтетическую гибкость дендримеров. Практически неисчерпаемы возможности дальнейших химических превращений как во внешней, так и во внутренней сфере дендримеров. Все  эти необычные свойства могут найти широкое применение.

Сейчас основные сферы потенциального использования дендримеров – это биология,  медицина, катализ и фотохимия. Помимо этих областей, есть десятки перспективных направлений, где могут найти применение определенные разновидности дендримеров. Именно проблема выбора – основная на пути к их практическому применению.

Возможность применения дендримерных соединений в медицине обусловлена такими их качествами, как низкая вязкость растворов, компактность, возможность тонкой настройки молекулярных параметров для взаимодействия с тем или иным биологическим объектом, благодаря чему дендримеры могут без труда проникать в различные биологические системы. На основе дендримеров ученые пытаются создать новые лекарства и средства их адресной доставки. Исследования в этой области ведут около 50 процентов научных коллективов, занимающихся дендримерами.

Установка для экспериментов в условиях контролируемой среды – сердце будущего Центра полимерных нанотехнологий. Аспирант Олег Новожилов готовится к полимеризации монодендрона.

Использование дендримеров в катализе возможно благодаря химическим реакциям, которые могут происходить во внешней и внутренней сферах дендримеров. Можно создать условия, при которых во внутренней сфере структуры дендримера будут формироваться наноразмерные металлические кластеры – основы основ современного катализа. А если вспомнить, что все дендримеры одинаковы, то и кластеры оказываются калиброванными. Такие молекулы, как фрукты с косточкой внутри, устойчивы и способны к дальнейшим превращениям. В отличие от фруктовой мякоти, дендримерная «шуба» кластера проницаема для реагентов. То есть, такая молекула - это молекулярная мембрана или «плавающий» каталитический центр.

Третье направление использования дендримеров – фотохимия. Идея собирать и преобразовывать с их помощью световую энергию оказалась очень плодотворной. Если дендример построить из определенных фотохимических структурных элементов, его можно использовать как молекулярную антенну для преобразования световой энергии. Молекулу дендримера в таком случае можно сравнить с кроной дерева. Разветвленная периферия молекулы, подобно листьям дерева, поглощает световую энергию и транслирует ее в центральную часть дендримера, куда помещен другой фотоактивный центр. Он будет трансформировать собранную энергию в свет с другой длиной волны. Возможны и другие варианты фото- и электролюминесцентных преобразований. Перспективы здесь тоже очень большие: от дешевых солнечных батарей до создания светящихся панелей – источников освещения в недалеком будущем.

До внедрения всего этого в жизнь еще, конечно, далеко. Сейчас идет стадия демонстраций: ученые доказывают работоспособность своих идей и возможность их эффективного применения. Идет поиск, что называется, суперсферы практического применения дендримеров, которая бы позволила использовать максимум уникальных свойств дендримеров.

А как обстоит дело с этими разработками у нас и в других странах?

Можно сказать, что научные лаборатории разных стран, занимающиеся дендримерами, идут примерно в ногу друг с другом. В чисто научном плане у нас есть даже некоторые преимущества в силу того, что мы дольше других занимаемся фундаментальными аспектами химии дендримеров. Российские учёные самостоятельно разработали и подробно изучили одну из наиболее представительных по числу выделенных генераций схем синтеза дендримеров. Это позволило нам продвинуться в понимании полимерной природы дендримеров даже дальше передовых зарубежных коллективов, работающих в этой области. Это предмет нашей гордости.

Но если проанализировать сферы практического применения дендримеров, то сравнение с другими странами окажется не в нашу пользу. В Японии, США вокруг каждого крупного центра по изучению дендримеров создаются десятки мелких и крупных фирм, которые занимаются поиском областей эффективного практического применения дендримеров. Нам в этом плане похвастаться, увы, пока нечем.

А можно ли преодолеть это отставание в области практического применения дендримеров?

Хороший фундаментальный задел нашей лаборатории позволяет нам быстро выйти на рынок полимерных нанотехнологий, как только он сформируется. Сейчас, к сожалению, спрос на новые продукты в нашей стране не велик. В частности, потому что людей, которые знают, что это за «фрукт» такой — полимерные нанотехнологии, раз-два и обчёлся. И сосредоточены они исключительно в лабораториях академических институтов и университетов.  Из-за этого есть опасения, что мы можем сильно отстать от зарубежных коллег на стадии активного применения дендримеров. На Западе больше всего сейчас они востребованы в медицине. Там уже есть удивительные результаты по применению дендримеров, содержащих тяжелые металлы, в качестве рентгеноконтрастных материалов при диагностике состояния внутренних органов человека. И людям польза, и компания-разработчик процветает! У наших медиков и фармацевтов, к сожалению, новые разработки пока большого интереса не вызывают - они борются за выживание и им, мягко говоря, не до дендримеров. Создание принципиально новых подходов в этой области требует серьезного финансирования, так что все, так или иначе, вращается вокруг создания благоприятной инновационной среды.

Даже самые рутинные химические эксперименты сейчас выполняются на современном лабораторном оборудовании. Синтез фторсодержащего олигомера для модификации дендримеров ведет Наташа Шереметьева, «свежеиспеченный» кандидат химических наук.

Расскажите, пожалуйста, какие еще исследования сейчас ведет Ваша лаборатория?

Дендримеры, о которых мы говорили, не единственное направление наших исследований. В рамках изучения нанообъектов не меньшее внимание мы уделяем сверхразветвленным полимерам – ближайшим аналогам дендримеров, которые можно, в отличие от дендримеров, легко синтезировать. На основе сверхразветвленных систем мы получаем функциональные наногели – перспективные наполнители для полимерных нанокомпозитов.

Распространив идеологию сверхразветвленных полимеров на область неорганических систем, мы получили возможность синтезировать молекулярные формы кремнеземов, растворимых в безводных органических растворителях. Если вспомнить, что различные формы кремнеземов - это самое распространенное минеральное сырье на нашей планете и один из самых востребованных наполнителей для полимерных композиций, становится очевидным, что молекулярные растворы кремнеземов - весьма перспективный материал.

Необходимо отметить, что полимеры обычно не жалуют «пришельцев», в том числе и с приставкой нано, поэтому мало получить нанопорошок (нанонаполнитель), нужно еще найти способы его стабилизации в полимерной матрице. Иначе частицы сагрегируют до микроразмеров, и все усилия по их получению пропадут напрасно. Специфика подхода к получению нанокомпозитов, развиваемая нашей лабораторией, заключается в том, что мы научились «одевать» кремнеземные наночастицы в своеобразные «шубы» или «маскировочные халаты». Т.е. создаем на поверхности неорганической частицы тонкий органический слой, обладающий сродством к той или иной полимерной матрице. В этом случае реакция отторжения и связанная с ней проблема агрегирования может быть преодолена. Собственно, сейчас мы и заняты разработкой «гардероба» для наших частиц. Необходимо выяснить, как такие «одетые» частицы взаимодействуют с полимерами. И тогда создание нанокомпозитов можно будет ставить на поток.

Эти два направления взаимно дополняют друг друга. Хочу упомянуть и о третьем – синтезе кремнийорганических полимеров. Это традиционное для нашей лаборатории направление деятельности является тем фундаментом, на котором развиваются другие исследования. В этой области у нас есть чрезвычайно интересные разработки.

Азиз Мансурович, какие пути выхода на рынок современных полимерных нанотехнологий Вы видите?

Проблема в том, что этого рынка у нас, к сожалению, нет, так как нет спроса. А спроса нет, потому что никто не знает о существовании новых продуктов. Такой вот получается замкнутый круг. Между тем, за рубежом проблемами практического использования дендримеров и других нанообъектов занимаются десятки малых предприятий. Разумеется, и нам следует искать формы выхода на рынок с наукоемкой продукцией.

Мне представляется, что одно из возможных решений - организация инновационных фирм на базе научных лабораторий, в которых смогут работать молодые специалисты. Встав на ноги, эти фирмы будут отделяться от научных коллективов и выходить в свободное плавание. В таком подходе много преимуществ: искать области эффективного практического применения новых объектов будут как раз те люди, которые больше всего знают об их  свойствах и направлениях  использования. К тому же так можно минимизировать риски таких предприятий.

Разумеется, я не открываю Америки – для решения инновационных задач существуют технопарки. Но технопарки - это довольно большие коммерческие организации, своего рода промышленные тепличные хозяйства. Мы же говорим, скорее, о «парниках», выращивающих рассаду. Идея заключается в том, чтобы  инновационные фирмы вырастали именно из научных лабораторий. Такой подход позволил бы решить и проблему трудоустройства молодых ученых, и поддержку родного коллектива. На мой взгляд, у таких инновационных образований есть большое будущее.

Уроки мастерства. Аспирант Юра Лупоносов и дипломница Лена Шумилкина занимаются очисткой битиофенсилановых дендримеров.

Что нужно сделать, чтобы подготовить почву для создания инновационных фирм?

Прежде всего, нужно разбюрократить науку. Вполне понятно стремление Министерства образования и науки контролировать вложенные в науку деньги. Но, все-таки, его главная функция – это не контроль, а создание нормальных условий для работы институтов. Ненормально, когда отчет только по одному этапу программы, на которую были выделены деньги, сопоставим по объему с целой диссертацией. Такая бумажная работа отнимает очень много времени и сил.

Обязательно нужно решить вопрос приобретения институтами оборудования. Никому ведь не придет в голову требовать от спортсмена результатов мирового уровня, если ему не купили экипировку. А от наших ученых, которые работают на давно устаревшем оборудовании или вовсе без него, почему-то все равно ждут великих открытий.

Покупка новых приборов и установок – один из самых больных вопросов большинства научных коллективов. Существует множество запретов и откровенно абсурдных барьеров на пути приобретения оборудования, даже если у института есть на это средства. А чаще всего денег просто нет. Создать «зеленую» улицу на этом направлении - давний невыполненный долг государства перед отечественной наукой.

Несмотря на эти препоны, мы стараемся всеми возможными способами обновлять оборудование лаборатории. Потому что понимаем: если не будет современных приборов, к нам не придет молодежь. А если не будет молодых кадров, можно забыть про инновации. Во всем мире продвижением новых идей занимается именно молодое поколение. Студенты, аспиранты, которые приходят к нам на практику и на работу, должны быть уверены, что они смогут приложить свои знания. Кто-то останется в фундаментальной науке, кто-то организует инновационную фирму и будет воплощать собственные научные идеи в жизнь. Если мы хотим строить «экономику знаний», молодым ученым нужно создавать прочные стартовые позиции, а результатов, в том числе и коммерческих, они смогут добиться сами.

В нашем научном коллективе сейчас работают 12 аспирантов и недавно защитившихся кандидатов наук, столько же дипломников и магистрантов проходят у нас практику. Так что, самый тяжелый период, когда молодежь уходила из науки, мы преодолели. Старшее поколение теперь не боится, что будет некому передать опыт, ведь в такой экспериментальной науке как химия преемственность поколений - это самое главное. Чтобы развивать инновационные процессы, наш институт планирует создать малое инновационное предприятие в рамках программы «Старт». Еще одна задумка - Центр полимерных нанотехнологий.

Наталия Мазурик // 15.01.2008

обсудить публикацию

версия для печати



ай вао
Интервью

Композиты на острие 3D-принтинга


Учёные СПбПУ и Сколтеха разрабатывают «софт» и «железо» для трёхмерной печати композиционных изделий

читать полностью читать полностью




Acta Naturae



© ООО «Парк-медиа», 2007-2008

Разработка - Metric

Все права защищены
Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100