ChemNet
 
Химический факультет МГУ

Научные достижения химического факультета
06.12.2021

Как работает "ни газ, ни жидкость": химики МГУ выяснили, что происходит в сверхкритических флюидах

Сотрудники межкафедральной лаборатории сверхкритических флюидов Химического факультета МГУ применили спектроскопию электронного парамагнитного резонанса, чтобы понять процессы, происходящие в одной из самых перспективных для химии сред – сверхкритических флюидах. Это состояние вещества, при котором исчезает различие между жидкостью и газом. Работа опубликована в журнале Polymers.

Вещества переходят в состояние сверхкритических флюидов при температуре и давлении выше критических – максимальных значений, при которых еще существуют газ и жидкость как две отдельные фазы. В сверхкритическом состоянии вещество обладает свойствами, промежуточными между газом и жидкостью. При нахождении вещества в этом состоянии небольшое изменение давления и температуры кардинально влияет на растворимость, реакционную способность, диффузию веществ.Например, при увеличении давления полярность воды резко уменьшается: сверхкритическая вода становится способна растворять масло.

– "В качестве сверхкритического флюида наиболее часто применяется диоксид углерода, – рассказала д.х.н., ведущий научный сотрудник кафедры химической кинетики, заведующая межкафедральной лабораторией "Центр сверхкритических флюидов Елена Голубева. – Это вещество обладает хорошими, относительно легко достижимыми, значениями сверхкритических температуры и давления. Часто, используя сверхкритический CO2, проводят экстракцию, например, извлекают кофеин из кофе, получают медицинский никотин. При достаточно мягких условиях (температура порядка 40 оС) сверхкритический диоксид углерода обладает высокой проникающей способностью и заходит даже в самые маленькие поры, заполняя их нужными веществами или вытаскивая из них все, что нужно. И самое главное – он очень легко удаляется простым сбросом давления. Поэтому диоксид углерода – очень "зеленый" растворитель, использование которого наносит совсем небольшой вред окружающей среде и здоровью человека по сравнению с традиционными органическими растворителями".

Исследовать процессы при закритических параметрах сложно, поскольку нужно работать с повышенными температурой и давлением. Поэтому в большей части работ до недавнего времени изучается состояние системы до применения сверхкритических флюидов и после завершения работы с ними.

– "Наша кафедра много лет специализируется на спектроскопии электронного парамагнитного резонанса, – пояснила Елена Голубева. – Этот метод позволяет различать молекулы не только по химическому составу, но и  по целому ряду физических свойств: ориентации частиц друг относительно друга, движению частиц. Мы получаем информацию о микродинамике, микрополярности, микроокружении парамагнитных центров. Поэтому нам очень хотелось применить этот метод, чтобы insituнаблюдать за процессами в сверхкритических флюидах".

В итоге авторам совместно с сотрудниками ФНИЦ "Кристаллография и фотоника" удалось создать реактор, позволяющий снимать спектры ЭПР в сверхкритических флюидах.  "Пока мы попробовали изучить процессы диффузии маленьких молекул в полимеры, - рассказала Елена Голубева. – Сейчас мы можем оценить сколько вещества заходит в полимер, как оно высвобождается, что происходит с частицами внутри полимера (как они двигаются, какие есть области концентрирования). Эти знания важны, поскольку нет необходимости проводить многочисленные эксперименты для получения желаемого результата. Теперь можно узнать точные параметры процесса, с помощью которых достигается определенная насыщенность полимера. Также можно убедиться, что полимер хорошо, равномерно пропитан нужным веществом".

Растворение веществ в сверхкритических флюидах – очень востребованный процесс. Например, его можно использовать для создания временных протезов, выделяющих при разложении полезные вещества: факторы роста, антибиотики, нестероидные противовоспалительные препараты. Такие протезы должны быть прочными, но при этом рассасывающимися со временем. Для разработки таких протезов важно, чтобы в "зеленых", чистых условиях полимер можно было пропитать полезными веществами при помощи растворителя.

Еще одна область применения – разработка систем доставки лекарств в организм. Например, создание таблеток, из которых лекарства высвобождаются постепенно и в определенные промежутки времени. Третья область -- разработка послеоперационных компрессов, которые способны систематически выделять необходимые лекарства.

– "Пока мы посмотрели только на диффузионные процессы, но в дальнейшем планируем развивать новый подход, применять его к изучению химических реакций в сверхкритических флюидах, – рассказала Елена Голубева. – Также интерес представляют процессы, происходящие со сверхкритическим флюидами при сбросе давления. Мы планируем начать заниматься этим в самое ближайшее время и надеемся, что сможем многое узнать о сверхкритических процессах благодаря предложенному подходу".

Автор фото: Юлия Чернова/пресс-служба химического факультета МГУ

Ссылка на статью:
Oleg I. Gromov, Mikhail O. Kostenko, Alexander V. Petrunin, Anastasia A. Popova, Olga O. Parenago, Nikita V. Minaev, Elena N. Golubeva, Mikhail Ya. Melnikov
Solute Diffusion into Polymer Swollen by Supercritical CO2 by High-Pressure Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy and Chromatography
Polymers 2021, 13(18), 3059




Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается  копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору