Научные достижения химического факультета
06.12.2021
Как работает "не газ, не 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".
