КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 21-73-20144

НазваниеСтруктура и свойства функциональных наносистем на основе ультрамалых частиц металлов

РуководительСергеев Владимир Глебович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва

Годы выполнения при поддержке РНФ 2021 - 2024 

КонкурсКонкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Объект инфраструктуры Центр коллективного пользования «Визуализация высокого разрешения»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-405 - Наноструктуры и кластеры. Супрамолекулярная химия. Коллоидные системы.

Ключевые словананочастицы металла, углеродные квантовые точки, просвечивающая электронная микроскопия, структура, катализ, сенсоры

Код ГРНТИ31.15.37


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
В рамках данного проекта предполагается синтезировать широкий круг систем на основе наноразмерных углеродсодержащих частиц, допированных различными гетероатомами, (углеродных квантовых точек) и ультрамалых наночастиц металлов (золото, серебро, медь и др.) и детально исследовать их структуру на атомарном уровне с применением современных методов просвечивающей электронной микроскопии (сканирующая просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения в электронах, рассеянных на большие углы, HAADF-STEM; сканирующая просвечивающая электронная микроскопия с дифференциальным фазовым контрастом; спектроскопия энергетических потерь электронов; энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия). Сочетание перечисленных методов позволит получить уникальные данные о строении сложных наноструктурированных систем на атомарном уровне и связать их структуру с функциональными свойствами (оптическими, сенсорными, каталитическими). В конечном итоге это позволит осуществлять прогнозируемый синтез наносистем, включающих ультрамалые частицы металлов, с управляемыми свойствами и использовать их для создания новых материалов.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения данного проекта: 1. Будут синтезированы и охарактеризованы современными методами просвечивающей электронной микроскопии углеродные наночастицы, различающиеся размером, природой и содержанием допирующих гетероатомов (сера, фосфор, азот, кислород). 2. Будет сделан вывод о взаимосвязи между условиями синтеза, структурой на атомарном уровне и оптическими характеристиками углеродных наночастиц, описанных в п. 1. 3. Будут синтезированы и охарактеризованы современными методами просвечивающей электронной микроскопии ультрамалые частицы металлов (в том числе, биметаллические), для которых ожидается проявление необычных сенсорных и каталитических свойств. 4. Будут определены сенсорные и каталитические свойства ультрамалых наночастиц металлов, описанных в п. 3, и сделаны выводы о взаимосвязи условий получения, состава, структуры на атомарном уровне и функциональных свойств ультрамалых наночастиц металлов. 5. Будут сопоставлены каталитические свойства ультрамалых (до 5 нм) и классических (10–100 нм) наночастиц металлов. 6. Будут получены и охарактеризованы современными методами просвечивающей электронной микроскопии сложные наноструктурированные системы, включающие углеродные наночастицы (п. 1) и ультрамалые наночастицы металлов (п. 3). 7. Будут изучены функциональные (оптические, сенсорные, каталитические) свойства наноструктурированных систем, описанных в п. 6. Будут сделаны выводы о взаимосвязи их структуры и функциональных свойств, а также о взаимном влиянии наноразмерных объектов в составе сложной системы и перспективах их использования в новых материалах.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В отчетном году методом гидротермального синтеза были успешно получены углеродные наночастицы из аскорбиновой кислоты и глюкозы. Исследованы оптические свойства недопированных наночастиц и наночастиц, допированных азотом, бором и фосфором. Оказалось, что допированние бором не оказывает существенного влияния на оптические свойства наночастиц, в то время как допирование фосфором существенно изменяет спектры испускания, но требует некоторой доработки с целью получения более крупных частиц, которые можно отделить от низкомолекулярной фракции. Исследования, выполненные с помощью микроскопа Titan Themis Z методами TEM и HAADF-STEM, показали, что недопированные углеродистые наночастицы размером менее 10 нм практически невозможно наблюдать стандартными методами из-за ультрамалого размера и аморфной структуры, а также неустойчивости в условиях наблюдения. Допирование углеродистых частиц солями ртути позволяет успешно визуализировать их с частичным сохранением контраста даже после разрушения, что делает этот прием перспективным для визуализации углеродных наночастиц ультрамалого размера. Углеродистые наночастицы, полученные гидротермальным методом из аскорбиновой кислоты и глюкозы, способны восстанавливать золотохлористоводородную кислоту. Важно отметить два момента: во-первых, восстановление не может протекать под действием исходных глюкозы и аскорбиновой кислоты, так как наши исследования показали их полную конверсию в продукты конденсации и углеродистые наночастицы в условиях обработки. Кроме того, в условиях взаимодействия с золотохлористоводородной кислотой (водный раствор, pH 3–4) глюкоза не способна восстанавливать золотохлористоводородную кислоту. Во-вторых, дисперсии, подвергнутые дополнительному диализу для удаления низкомолекулярных продуктов, не теряют своих восстановительных свойств, то есть обнаруженное взаимодействие действительно происходит под действием функциональных групп углеродистых частиц. Методом электронной микроскопии (TEM) показано, что наночастицы Au, полученные при восстановлении углеродистыми наночастицами, имеют разнообразную форму (треугольные, гексагональные, пентагональная бипирамида, усеченные треугольники), что, очевидно, позволит в дальнейшим отработать методику целенаправленного получения наночастиц Au определенной формы и исследовать их физико-химические свойства. При изучении наночастиц золота, полученных в присутствии углеродистых частиц, оказалось, что использованные методы электронной микроскопии позволяют визуализировать одновременно частицы, включающие тяжелые элементы (металлы), и объекты на основе легких элементов (углерод, кислород). Так, были получены микрофотографии, на которых одновременно видны и высококонтрастные наночастицы золота размером около 20 нм, и ультрамалые менее контрастные частицы, предположительно «углеродные наноточки». Более того, при визуализации наночастиц золота, оказавшихся на краю углеродной сетки, можно фиксировать тонкое органическое покрытие (стабилизирующий слой) на поверхности наночастицы золота. Однако, методика наблюдения ультрамалых наночастиц золота, стабилизированных молекулярными стабилизаторами, требует дальнейшая доработки. Детальный анализ данных электронной микроскопии (HAADF-STEM) позволил установить, что, наряду с одиночными частицами золота с широким распределением по размерам, в образцах имеются необычные самоорганизованные структуры, включающие углеродистые частицы размером около 100 нм с иммобилизованные на их поверхности наночастицы золота. Механизм образования таких объектов (самоорганизация наночастиц золота, образовавшихся в растворе, на поверхности углеродистой наночастицы либо рост наночастицы золота непосредственно на углеродистой наночастице, из иммобилизованного зародыша) требует дальнейшего изучения. Впервые удалось получить ультрамалые наночастицы меди с узким распределением по размеру и стабилизированные в водной среде, восстановлением соли меди гидразином внутри липосом, служащих изолированными нанореакторами. Их исследование методами электронной микроскопии (TEM, HAADF-STEM) позволило подобрать оптимальные условия (использование молибденовых сеток, ускоряющее напряжение, концентрация и объем образца), для успешной визуализации наночастиц и надежного установления их химической природы. Развивая работы, в которых продемонстрированы возможности синтеза ультрамалых наночастиц золота в присутствии макромолекул ДНК как функционального стабилизатора, в том числе и в отсутствие внешнего восстановителя, опираясь на данные по гидротермальному синтезу флуоресцентных наноточек из молекул ДНК и РНК, мы предложили возможный механизм восстановления ионов Au(III) и образования флуоресцентных нанокластеров золота в присутствии молекул ДНК в отсутствие дополнительного восстановителя и стабилизатора.

 

Публикации

1. Ванг М., Цукамото М., Сергеев В.Г., Зинченко А. Metal Ions Sensing by Biodots Prepared from DNA, RNA, and Nucleotides Biosensors, 2021, 11(9), 333 (год публикации - 2021).

2. Ванг М., Цукамото М., Сергеев В.Г., Зинченко А. Fluorescent Nanoparticles Synthesized from DNA, RNA, and Nucleotides Nanomaterials, 11(9), 2265 (год публикации - 2021).

3. Карпушкин Е.А., Каракчиева А.О., Кирсанова М.А., Заборова О.В., Сергеев В.Г. Formation of Gold Nanoparticles in the Presence of Carbon Nanoparticles Russian Journal of General Chemistry, Vol. 91, No. 12, pp. 1–8 (год публикации - 2021).

4. Лившиц С.О., Заборова О.В., Сергеев В.Г. Synthesis of copper nanoparticles in liposomes Book of Abstracts XII International Conference on Chemistry for Young Scientists «Mendeleev 2021», St. Petersburg University, 2021. — P. 434–434 (год публикации - 2021).

5. Лифшиц С.О., Заборова О.В. Синтез медьсодержащих наночастиц в липосомах на основе диолеоилфосфохолина Материалы Международного молодежного научного форума «Ломоносов-2021», Ломоносов-2021, секция "Химия", подсекция "Дисперсные системы и поверхностные явления", стр. 257 (год публикации - 2021).