Наукові гуртки кафедри ТНР, В та ЗХТ

У 2011 р. на кафедрі технології неорганічних речовин, водоочищення та загальної хімічної технології (ТНР, В та ЗХТ) розпочали роботу два наукові гуртки, які у вересні того ж року наказом ректора отримали офіційний статус і назви: "Нанохімія" і "Наноматеріали. Нанотехнологія". Метою їх створення було залучення студентів ХТФ до науково-дослідної роботи, розвиток у них експериментаторських навичок, вміння ставити і вирішувати наукові проблеми та оприлюднювати результати досліджень у доповідях на конференціях і публікаціях у наукових виданнях. Ініціаторами заснування гуртків виступили доценти кафедри ТНР, В та ЗХТ кандидати хімічних наук Ірина Миколаївна Іваненко, яка нині є керівником гуртка "Нанохімія", та Тетяна Анатоліївна Донцова, яка керує гуртком "Наноматеріали. Нанотехнологія". Їхню розповідь про роботу гуртків записав кореспондент "КП".

Наноматеріалами називаються матеріали з розміром частинок в діапазоні 1–100 нанометрів. Дослідження, які проводились в останній чверті ХХ сторіччя, показали, що такі матеріали часто мають унікальні властивості – електричні, каталітичні тощо. Застосування наноматеріалів дає можливість створювати небачені раніше вироби і технології. Тому у ХХІ сторіччі в розвинених країнах світу відбувається стрімкий розвиток досліджень у галузі наноматеріалів і нанотехнологій.

З цими матеріалами мають справу в гуртках, назви яких містять слова з префіксами "нано". Чому гуртків два, а не один? Тому що в одному гуртку неможливо охопити всі питання в галузі наноматеріалів, які можна і хотілося б досліджувати в наших лабораторіях.

Відповідно до напрямів діяльності кафедри учасники гуртків отримують неорганічні наноматеріали, які потенційно можуть застосовуватися як адсорбенти, каталізатори, фотокаталізатори, хімічні сенсори тощо. Майже всі досліджувані матеріали мають екологічне застосування. Одні матеріали можна використовувати для екологічного каталізу, тобто каталітичного знешкодження шкідливих домішок у воді та повітрі, інші – як хімічні сенсори, тобто для визначення концентрації забруднюючих речовин в атмосфері.

На початку навчального року керівники гуртків проводять ознайомчу лекцію для студентів другого курсу, на якій розповідають про наукові дослідження, що проводяться на кафедрі, і роботу наукових гуртків. Студенти сприймають ці лекції по-різному. Деяких наукова робота не цікавить, є такі, що приходять до гуртків, працюють місяць-два і полишають роботу, але є й такі, що займаються в гуртках до шостого курсу.

Учасники гуртка "Нанохімія" отримують і досліджують матеріали, що потенційно можуть застосовуватися у каталізаторах. Це, як правило, чисті та змішані оксиди перехідних металів – цинку, титану, нікелю, кобальту, феруму та ін. Оксиди отримують як у вільному стані, так і нанесені на поверхню твердих поруватих носіїв – активованого вугілля, сапонітів (глин), силікагелю. Цікаво зазначити, що кілька років поспіль пробували використовувати вуглецеві нанотрубки, але вони виявилися менш ефективними носіями, ніж активоване вугілля.

Учасники гуртків проводять весь цикл експериментального дослідження матеріалів: власноруч синтезують матеріал, вивчають його фізико-хімічні властивості, тестують і випробовують у лабораторних умовах, а потім роблять висновки щодо його практичного застосування.

При отриманні наноматеріалів застосовують так звані методи "м'якої" (soft chemistry) та "вологої" (wet chemistry) хімії. Готують розчини реагентів, при взаємодії яких утворюється твердий осад. Його відділяють від основної маси розчинника шляхом фільтрування або центрифугування. Далі, залежно від речовини і мети, осад висушують при температурі не вище 80оC або прожарюють за температур в інтервалі від 400 до 800 оС. Як правило, працюють з водними розчинами. Часом як розчинник застосовують спирти – ізопропіловий, ізобутиловий та ін., оскільки з неводних розчинів можна отримати тверді частинки менших розмірів, ніж з водних.

Експериментам передує робота з науковими журналами, основна частина яких – англомовні. З них можна дізнатися як про перспективні композиції, так і основні підходи до отримання тих чи інших матеріалів. Звичайно, тонкощі синтезу в літературі знайти неможливо, тому деталі необхідно встановлювати самостійно, що повністю виключає дублювання чужих робіт.

Оскільки метою синтезу є отримання матеріалу не лише певного складу і структури, а й певного розміру частинок, то важливою складовою дослідження отриманих матеріалів є визначення розмірів частинок. Попередньо, не дуже точно це можна зробити в лабораторії кафедри турбодиметричним методом – за залежністю зростання оптичної густини осаду в часі. Більш точно розмір, форма і морфологія частинок визначаються за допомогою просвічуючого електронного мікроскопа, який дозволяє отримати зображення частинок порошків разом із зображеннями маркерів 5 або 10 нанометрів. Цей мікроскоп є на інженерно-фізичному факультеті нашого університету, і такі дослідження виконуються за сприяння декана ІФФ Петра Івановича Лободи та у співпраці з інженером лабораторії Юрієм Миколайовичем Романенком.

Після отримання матеріалу студенти досліджують ті чи інші його властивості залежно від того, де його планується застосовувати. Наприклад, каталітична активність простих і змішаних оксидів визначається за їх впливом на швидкість модельних гетерогенно-каталітичних рідиннофазних окисно-відновних процесів, таких як розкладання пероксиду водню або гідроліз борогідриду натрію. Для оцінки активності фотокаталізаторів (оксиду цинку, діоксиду титану тощо) застосовуються модельні фотокаталітичні процеси розкладання органічних сполук (наприклад, диклофенаку або глюкози) під дією ультрафіолетового випромінення. У будь-якому випадку ефективність каталізатора оцінюють за величиною зменшення концентрації модельних забруднюючих речовин, що розкладаються.

У гуртку "Наноматеріали. Нанотехнологія" є кілька напрямів досліджень – від моніторингу повітря і ґрунтів до отримання біоматеріалів. Одним із напрямів, який вже отримав визнання у вигляді кандидатської дисертації аспіранта, а тепер уже викладача кафедри ТНВ, В та ЗХТ Світлани Валеріївни Нагірняк, є отримання наноструктур на основі оксиду стануму. Ці структури, модифіковані різноманітними металами, можна з успіхом використовувати як чутливі шари в напівпровідникових сенсорах для детектування різноманітних газів. Наноструктури, модифіковані арґентумом, уже протестовано по відношенню до ацетону, водню, органічних спиртів та ін. Отримані результати покладено в основу діючого українсько-індійського міжнародного проєкту "Розробка методу визначення якості ґрунтів системою e-nose".

Крім цього, студенти та викладачі розробляють методи отримання біоматеріалів на основі гідроксидапатиту – речовини, що входить до складу кісткової тканини. Синтетичний гідроксидапатит застосовується як покриття імплантатів, як харчова та фармацевтична добавка, як наповнювач зубних паст тощо. Викладачами та студентами кафедри ТНР, В та ЗХТ отримано патент на низькотемпературний спосіб синтезу гідроксидапатиту біомедичного застосування. Ця тематика є перспективною ще й тому, що біоматеріали завжди мали і матимуть великий попит у світі.

У гуртку "Наноматеріали. Нанотехнологія" розвивається тематика, присвячена водопідготовці та застосуванню наноматеріалів для очищення питної та стічних вод. Тут синтезують адсорбенти та фотокаталізатори на основі оксидів металів та природних глинистих матеріалів. З цієї тематики колишня учасниця гуртка Оксана Володимирівна Макарчук захистила дисертацію, спрямовану на створення сорбційних нанокомпозиційних магнітокерованих наноматеріалів на глинистій основі для використання у водоочищенні.

Наразі аспірантка Анастасія Кутузова виконує роботу зі створення високоактивних фотокаталізаторів на основі діоксиду титану. Вона працює над кандидатською дисертацією і керує студентами-членами гуртка.

Студенти обох гуртків разом з керівниками стають учасниками наукових конференцій, у тому числі міжнародних, публікують статті, подають заявки на патенти, беруть участь у всеукраїнських конкурсах студентських наукових робіт і займають там призові місця. Загалом за участю гуртківців отримано більше десяти патентів України на корисну модель, опубліковано більше двадцяти статей у виданнях, що індексуються міжнародними наукометричними базами, зроблено доповіді більш ніж на тридцяти міжнародних конференціях. Отже, гуртки сприяють вихованню нових поколінь дослідників, які можуть розвивати сучасні технології і створювати передову техніку.