В 2011 на кафедре технологии неорганических веществ, водоочистки и общей химической технологии (ТНВ, В и ОХТ) начали работу два научные кружки, которые в сентябре того же года приказом ректора получили официальный статус и названия: "Нанохимия" и "Наноматериалы. Нанотехнология". Целью их создания было привлечение студентов ХТФ к научно-исследовательской работе, развитие у них экспериментаторских навыков, умение ставить и решать научные проблемы и обнародовать результаты исследований в докладах на конференциях и публикациях в научных изданиях. Инициаторами создания кружков выступили доценты кафедры ТНВ, В и ОХТ кандидаты химических наук Ирина Николаевна Иваненко, которая сейчас является руководителем кружка"Нанохимия", и Татьяна Анатольевна Донцова, которая руководит кружком"Наноматериалы. Нанотехнология".Их рассказ о работе кружков записал корреспондент "КП".
Наноматериалами называются материалы с размером частиц в диапазоне 1-100 нанометров. Исследования, проводимые в последней четверти ХХ века, показали, что такие материалы часто имеют уникальные свойства - электрические, каталитические и тому подобное. Применение наноматериалов дает возможность создавать невиданные ранее изделия и технологии. Поэтому в XXI веке в развитых странах мира происходит стремительное развитие исследований в области наноматериалов и нанотехнологий.
С этими материалами имеют дело в кружках, названия которых содержат слова с приставками"нано". Чому гуртків два, а не один? Потому что в одном кружке невозможно охватить все вопросы в области наноматериалов, которые можно и хотелось бы исследовать в наших лабораториях.
В соответствии с направлениями деятельности кафедры участники кружков получают неорганические наноматериалы, которые могут применяться как адсорбенты, катализаторы, фотокатализаторы, химические сенсоры и тому подобное. Почти все исследуемые материалы имеют экологическое применения. Одни материалы можно использовать для экологического катализа, то есть каталитического обезвреживания вредных примесей в воде и воздухе, другие - как химические сенсоры, то есть для определения концентрации загрязняющих веществ в атмосфере.
В начале учебного года руководители кружков проводят ознакомительную лекцию для студентов второго курса, на котором рассказывают о научных исследованиях, проводимых на кафедре, и работе научных кружков. Студенты воспринимают эти лекции по-разному. Некоторых научная работа не интересует, есть такие, которые приходят в кружки, работают месяц-два и оставляют работу, но есть и такие, которые занимаются в кружках до шестого курса.
Участники кружка "Нанохимия" получают и исследуют материалы, которые могут применяться в катализаторах. Это, как правило, чистые и смешанные оксиды переходных металлов - цинка, титана, никеля, кобальта, железа и др. Оксиды получают как в свободном состоянии, так и нанесены на поверхность твердых пористых носителей - активированного угля, сапонитов (глин), силикагеля. Интересно отметить, что несколько лет подряд пытались использовать углеродные нанотрубки, но они оказались менее эффективными носителями, чем активированный уголь.
Участники кружков проводят весь цикл экспериментального исследования материалов: собственноручно синтезируют материал, изучают его физико-химические свойства, тестируют и испытывают в лабораторных условиях, а затем делают выводы относительно его практического применения.
При получении наноматериалов применяют так называемые методы "мягкой" (soft chemistry) и "влажной" (wet chemistry) химии.Готовят растворы реагентов, при взаимодействии которых образуется твердый осадок. Его отделяют от основной массы растворителя путем фильтрования или центрифугирования. Далее, в зависимости от вещества и цели, осадок высушивают при температуре не выше 80оC или прокаливают при температурах в интервале от 400 до 800 ° С. Как правило, работают с водными растворами. Тогда как растворитель применяют спирты - изопропиловый, изобутиловый и др., поскольку с неводных растворов можно получить твердые частицы меньших размеров, чем из водных.
Экспериментам предшествует работа с научными журналами, основная часть которых - англоязычные. Из них можно узнать как о перспективных композициях, так и основных подходах к получению тех или иных материалов. Конечно, тонкости синтеза в литературе найти невозможно, поэтому детали необходимо устанавливать самостоятельно, что полностью исключает дублирование чужих работ.
Поскольку целью синтеза является получение материала не только определенного состава и структуры, но и определенного размера частиц, то важной составляющей исследования полученных материалов является определение размеров частиц. Предварительно, не слишком точно это можно сделать в лаборатории кафедры турбодиметрическим методом - по зависимости роста оптической плотности осадка во времени. Более точно размер, форма и морфология частиц определяются с помощью просвечивающего электронного микроскопа, который позволяет получить изображение частиц порошков вместе с изображениями маркеров 5 или 10 нанометров. Этот микроскоп имеется на инженерно-физическом факультете нашего университета, и такие исследования выполняются при содействии декана ИФФ Петра Ивановича Лободы и в сотрудничестве с инженером лаборатории Юрием Николаевичем Романенком.
После получения материала студенты исследуют те или иные его свойства в зависимости от того, где его планируется применять. Например, каталитическая активность простых и смешанных оксидов определяется их влиянием на скорость модельных гетерогенно-каталитических жидкофазных окислительно-восстановительных процессов, таких как разложение перекиси водорода или гидролиз борогидрида натрия. Для оценки активности фотокатализаторов (оксида цинка, диоксида титана и т.д.) применяются модельные фотокаталитические процессы разложения органических соединений (например, диклофенака или глюкозы) под действием ультрафиолетового излучения. В любом случае эффективность катализатора оценивают по величине уменьшения концентрации модельных загрязняющих веществ, что разлагаются.
У гуртку "Наноматериалы. Нанотехнология" есть несколько направлений исследований - от мониторинга воздуха и почв до получения биоматериалов. Одним из направлений, которое уже получило признание в виде кандидатской диссертации аспиранта, а теперь уже преподавателя кафедры ТНВ, В и ОХТ Светланы Валерьевны Нагирняк, является получение наноструктур на основе оксида олова. Эти структуры, модифицированные различными металлами, можно с успехом использовать как чувствительные слои в полупроводниковых сенсорах для детектирования различных газов. Наноструктуры, модифицированные аргентумом, уже протестировано по отношению к ацетону, водороду, органических спиртов и др. Полученные результаты положены в основу действующего украинско-индийского международного проекта "Разработка метода определения качества почв системой e-nose".
Кроме этого, студенты и преподаватели разрабатывают методы получения биоматериалов на основе гидроксидапатита - вещества, входящего в состав костной ткани. Синтетический гидроксидапатит применяется в качестве покрытия имплантатов, как пищевая и фармацевтическая добавка, как наполнитель зубных паст и тому подобное. Преподавателями и студентами кафедры ТНВ, В и ОХТ получен патент на низкотемпературный способ синтеза гидроксидапатита биомедицинского применения. Эта тематика является перспективной еще и потому, что биоматериалы всегда имели и будут иметь большой спрос в мире.
В кружке "Наноматериалы. Нанотехнология" развивается тематика, посвященная водоподготовке и применению наноматериалов для очистки питьевой и сточных вод. Здесь синтезируют адсорбенты и фотокатализаторы на основе оксидов металлов и природных глинистых материалов. По этой тематике бывшая участница кружка Оксана Владимировна Макарчук защитила диссертацию, направленную на создание сорбционных нанокомпозицийних магнитоуправляемых наноматериалов на глинистой основе для использования в водоочистке.
Сейчас аспирантка Анастасия Кутузова выполняет работу по созданию высокоактивных фотокатализаторов на основе диоксида титана. Она работает над кандидатской диссертацией и руководит студентами-членами кружка.
Студенты обоих кружков вместе с руководителями становятся участниками научных конференций, в том числе международных, публикуют статьи, подают заявки на патенты, участвуют во всеукраинских конкурсах студенческих научных работ и занимают там призовые места. В общем с участием кружковцев получено более десяти патентов Украины на полезную модель, опубликовано более двадцати статей в изданиях, индексируемых международными наукометрическими базами, сделаны доклады более чем на тридцати международных конференциях. Итак, кружки способствуют воспитанию новых поколений исследователей, которые могут развивать современные технологии и создавать передовую технику.