Разработка синтетических подходов к получению палитры мультифункциональных пигментов на основе наночастиц гидроксиапатита и апробация полученных материалов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 проекта 24-23-00225

НазваниеРазработка синтетических подходов к получению палитры мультифункциональных пигментов на основе наночастиц гидроксиапатита и апробация полученных материалов

Руководитель Бобрышева Наталья Петровна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов

Ключевые слова Гидроксиапатит, Наночастицы, Допирование, Зонная структура, Осаждение, Гидротермальная обработка, Люминесценция, Биосовместимые пигменты, Колористические свойства

Код ГРНТИ31.15.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Наночастицы гидроксиапатита являются потенциальной матрицей для допирования и получения биосовместимых, мультифункциональных и экологичных пигментов, которые можно применять в косметической промышленности (помады, румяна, тени, пудры, консилеры, солнцезащитные средства и т.п.). К настоящему моменту не вызывает сомнений, что особенности взаимодействия неорганических пигментов со светом (и в конечном итоге их колористические параметры) обусловлены их зонной структурой, которая зависит от природы материала, размеров и формы составляющих его частиц, природы и концентрации допанта. Регулирование данных параметров позволит получить пигменты с заданными характеристиками; проект направление на установление данной зависимости. Для регулирования размера и формы допированных наночастиц перспективно использовать процесс ориентированного присоединения, который представляет собой неклассический механизм формирования наночастиц, основанный на процессах самоорганизации первичных блоков (структуру которых можно установить) и их последующем срастании в гидротермальных условиях. Несмотря на его активное изучение в последнее время, потенциал этого метода для получения объектов с заданным размерами и формой остается полностью не раскрытым, особенно для гидроксиапатита. В цели проекта входит тщательное изучение закономерностей формирования наночастиц по данному механизму, что позволит в будущем целенаправленно использовать его при производстве наноматериалов. Проект направлен на разработку методологии управления процессом самосборки наночастиц (механизм ориентированного присоединения) в гидротермальных условиях с целью получения допированных наночастиц гидроксиапатита с необходимыми колористическими и физико-химическими характеристиками, позволяющими использовать их как мультифункциональные пигменты. В качестве допантов будут использоваться ионы железа в степени окисления 2 и 3 и хром в степени окисления 3 как наиболее биосовместимые допанты, которые при этом позволяют получить две основные для экокосметики палитры – желто-красную и зеленую. В ходе выполнения проекта будет проведено: • Изучение механизма ориентированного присоединения первичных блоков с различным составом поверхности и иными параметрами с целью выявления закономерностей данного процесса; • Определение положения допанта в структуре матрицы, квантово-химическое описание зонной структуры и плотности состояний с использованием оригинального подхода, разработанного заявителем, экспериментальное определение энергий прямых и непрямых переходов, моделирование состава поверхности наночастиц; • Установление взаимосвязи между условиями инициирования процесса ориентированного присоединения (температура и состав реакционной среды) и параметрами первичных и конечных наночастиц; • Исследование колористических свойств полученных образцов с использованием протокола, разработанного под руководством заявителя, в том числе включающего регистрацию спектров поглощения и отражения; • Установление взаимосвязи между параметрами цвета пигмента, полученными по модели RGB, и морфологическими и структурными параметрами наночастиц; • Оценка экологичности разработанного метода синтеза пигмента. • Апробация полученных пигментов как компонентом помады и тонального крема. Новизна данной работы заключается в выдвинутой гипотезе о возможности регулирования колористических свойств пигментов путем варьирования структурных параметров исходных блоков и состава реакционной среды в методе ориентированного присоединения, а также в тщательном изучении взаимосвязи между параметрами наночастиц и параметрами цвета полученных пигментов, что позволит с новой точки зрения взглянуть на уже существующие наноматериалы и откроет возможности улучшения их свойств. Создание комплексного подхода, описывающего взаимосвязи между колористическими свойствами и условиями синтеза позволит привнести научно обоснованные методики в промышленное производство.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В варьируемых условиях синтеза первичных структурных блоков (ПСБ) и проведения гидротермальной обработки получены серии реперных недопированных образцов наночастиц гидроксиапатита, получена информация о том, как состав реакционной среды влияет на процесс ориентированного присоединения. На основании данных химического и расчетного эксперимента были построены схемы, позволяющие разработать модель роста наночастиц в зависимости от условий синтеза. Было изучено влияние состава реакционной среды, температуры синтеза первичных структурных блоков, температуры гидротермальной обработки на продукты ориентированного присоединения и показано, что в зависимости от условий взаимодействие ПСБ протекает либо сначала по оси а, а потом по оси с, либо наоборот; выраженность срастания определяется структурными параметрами ПСБ; введение в реакционную среду экранирующих ионов приводит как к уменьшению, так и к увеличению размеров частиц. Получен набор образцов первичных блоков — наночастиц допированного железом и хромом гидроксиапатита — в варьируемых условиях синтеза. Комплексом современных физико-химических методов установлены морфологические и структурные параметры полученных наночастиц, в том числе с помощью квантово-химических расчетов определено положение допанта в кристаллической структуре полученных образцов. На основании полученных данных установлено влияние условий проведения процесса синтеза (pH синтеза, температура синтеза, источник гидроксил-ионов, природа и концентрация допанта) на морфологические и структурные параметры наночастиц допированного гидроксиапатита, в частности, определены оптимальные условия получения «крупных» и «мелких» наночастиц. Установлено, что нагревание реакционной среды приводит к протеканию процессов ориентированного присоединения и формированию вытянутых игл. На основании изучения колориметрических свойств полученных образцов было ожидаемо обнаружено, что яркость уменьшается с ростом содержания допанта: чем крупнее частицы, тем они темнее. Для хрома соотношение между зеленым/красным и синим/желтым вкладами в цвет зависит от рН реакционной среды и размера частиц. В случае использования железа во всех случаях увеличение концентрации допанта приводит к росту красного и желтого вкладов. Согласно данным ТГА-ДСК, полученные пигменты устойчивы вплоть до 800 °С, что открывает широкие перспективы их применения при производстве косметических продуктов, для которого чаще всего не требуются температуры выше 200 °С. С использованием двух пигментов с различной интенсивностью окраски был получен блеск для губ. Показана возможность успешного приготовления таких продуктов, а также возможность получать широкую гамму красных оттенков. Полученные составы были протестированы в культуре E.Coli. Было показано, что выдерживание бальзама, в том числе полученного без предварительной стерилизации материалов, который выступает в качестве дополнительной питательной среды для развития бактерий, в культуре бактерий не приводит к их выраженному размножению. Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, обнародованы в форме стендовых и устных докладов на трех международных и трех всероссийских конференциях. В рамках экспозиции СПбГУ «Неорганические материалы для устойчивого развития» разработанные материалы представлены исполнителями проекта на трех международных (выставка-форум «Россия», MMCO.EXPO-2024 и Санкт-Петербургский международный научно-образовательный салон) выставках, а также использованы при проведении профориентационной работы со школьниками (в том числе Фестиваль «Наука всем!»). Статья, посвященная изучению процесса ориентированного присоединения и использованию ионов-регуляторов, опубликована в журнале Surfaces and Interfaces (IF 5.7, Q1).

Публикации

1. Восканян Л.А., Сюккалова Е.А., Главинская В.О., Осмоловский М.Г., Вознесенский М.А., Бобрышева Н.П., Осмоловская О.М. Eco-friendly, high-effective, and biocompatible sorbent based on specially designed hydroxyapatite nanoparticles for wastewater treatment from non-ionic surfactants Surfaces and Interfaces, Volume 55, December 2024, 105441 (год публикации - 2024)
10.1016/j.surfin.2024.105441