Лекция по химии

Лекарства, нефть и солнечная энергия

Лекция о том, как новые лекарства и материалы с заданными свойствами создаются с помощью знаний из физической химии

Лектор: 17.10.2012, 15:38
Для решения задач материаловедения нужно знать информацию о молекулярных системах prlo.aps.org
Для решения задач материаловедения нужно знать информацию о молекулярных системах

О том, как новые лекарства и материалы с заданными свойствами создаются с помощью знаний о молекулярных системах из физической химии, в своей лекции на «Газете.Ru» рассказывает доктор химических наук профессор Анатолий Чалых.

С 13 по 17 октября 2012 года в Институте физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН проходит молодежная научная школа «Синтез, структура и динамика молекулярных систем в рамках фестиваля науки». Школа была организована для молодых ученых, аспирантов и студентов и направлена на углубленное изучение современных фундаментальных проблем физической химии — растворов и расплавов, сверхкритических флюидов и супрамолекулярных систем, макроциклических соединений и катализаторов, углеродных наноразмерных частиц и функционализированных красителей и т. п.

В названии школы три ключевых слова — структура, динамика и синтез молекулярных систем. Все они относятся к фундаментальным понятиям, с которыми большинство молодых исследователей знакомится уже в институтах и университетах, изучают их в лабораториях на практических занятиях, в ходе подготовки диссертаций бакалавров, магистров, кандидатов наук. Об этих понятиях и хотелось бы рассказать подробнее в своей лекции в «Газете.Ru».

Мой многолетний опыт исследований в физической химии полимеров позволяет мне утверждать, что,

только владея информацией о структуре, динамике и методах синтеза молекулярных систем, можно с успехом решать различные практические задачи полимерного материаловедения.

Мы живем в замечательное время, когда практически любые свершения и научные открытия становятся доступны для изучения и обсуждения не только профессионалам, но и обычным людям, которым любопытно увидеть звезды или разглядеть молекулы и атомы. Современная наука идет непрерывно вперед, создавая новые способы и формы введения лекарств в человеческий организм, молекулярные машины, мономолекулярные сенсорные устройства, элементы искусственного интеллекта, наномускулы и многое другое.

В качестве примера интересно рассмотреть некоторые данные, касающиеся принципов и механизма работы трансдермальных лекарственных систем.

Напомню, что это достаточно новый способ введения лекарств в организм человека, например, никотина, спазмолитических средств или гормональных препаратов, который осуществляется путем его самопроизвольной диффузии (миграции) из клеевого слоя (адгезива) через кожу в кроветок. Конструкция такой системы — толщина слоя адгезива, его поверхностные характеристики, содержание лекарственного препарата — подбирается таким образом, чтобы миграция препарата проходила безболезненно в условиях стационарного потока в течение всего периода терапии. Очевидно, что для успешного решения этой задачи необходима независимая информация о динамике диффузионного обмена, трансляционных коэффициентах диффузии и растворимости молекул препарата в слое адгезива, устойчивости адгезионного взаимодействия в процессе носки лекарственного пластыря.

В настоящее время в практике физико-химических исследований принято разделять понятия система и материал.

Первое объединяет фундаментальную информацию о фазовом равновесии, термодинамике смешения компонентов, реологии, трансляционной подвижности молекул, химической стабильности компонентов. Второе касается структуры и свойств конкретных композиций, которые могут найти практическое применение в тех или иных изделиях. Очевидно, что физико-химическая информация является фундаментальной основой материаловедения и, в частности, полимерного материаловедения. Например, для создания градиентных дисперсных материалов со сложной архитектурой переходной зоны необходимы данные о диаграммах фазового состояния, скорости формирования профиля распределения концентрации, кинетики фазового распада при формировании в матрице сетки пространственных связей и т. п.

Располагая этой информацией и используя модельные представления, можно прогнозировать структурные параметры и некоторые эксплуатационные свойства градиентных материалов.

Конкретные примеры такого подхода обсуждаются в одном из докладов школы.

Если исходить из определения структуры материала, под которой понимают взаимное расположение в пространстве, внутреннее строение и характер взаимосвязи элементов, образующих макроскопическое тело, то молекулярные системы касаются уровня, элементом которого является молекула и/или макромолекула. Молекулярный уровень достаточно широко распространен в науке, технике, биологии, природе. Частным случаем таких систем являются растворы и расплавы.

Например, нефть рассматривается с физико-химической точки зрения как многокомпонентный раствор предельных, нафтеновых и ароматических углеводородов.

На предыдущих школах «Синтез, структура и динамика молекулярных систем» этому направлению были посвящены лекции ряда профессоров из Российского государственного университета нефти и газа им. И. М. Губкина.

В зависимости от удаленности систем от пограничных кривых диаграмм состояния в растворах и расплавах наблюдается образование молекулярных ассоциатов, кластеров, гетерофазных флуктуаций, наночастиц. Каждый из этих элементов, в свою очередь, может образовывать фрактальные структуры сложной организации и макроскопических размеров. Все эти уровни в той или иной степени обсуждаются в лекциях и докладах на школе молодых ученых. Особое внимание уделяется самоорганизующимся супрамолекулярным системам различной природы и функциональности, специфическим особенностям поведения сверхкритических флюидов, композиционным материалам на основе бактериальной целлюлозы, получению сополимеров с заданной микроструктурой макромолекул, углеродным наноразмерным структурам (нанотрубкам, астраленам, графенам, фуллеренам, углеродным волокнам). Основное внимание для этих структур авторы исследований уделяют разработке условий химической модификации их поверхности, стремясь тем самым решить практическую проблему однородного распределения наночастиц углерода в полимерных матрицах.

Известно, что фундаментальные и практические достижения во многом определяются инновационными разработками в области методов исследования.

Этому направлению в школе посвящены несколько важных докладов, касающихся анализа достижений применения новых технологий ИК-Фурье, КР- и оптической спектроскопии, электронной микроскопии, рентгенодифракционных исследований монокристаллов для определения их динамических характеристик и физико-химических свойств.

Особо хочу отметить, что в рамках школы определенное место уделяется практическим вопросам. Среди них можно выделить доклады, посвященные применению системы «гиалуроновая кислота — полибораты» для решения задачи нейтронозахватной терапии лечения раковых заболеваний, использования производных порфирина в фотоэлектрохимических преобразователях солнечной энергии, создания новых катализаторов восстановительной конверсии оксидов углерода на основе наноразмерных углеродных волокон.

В заключение, хочу обратить ваше внимание на «динамику молекулярных систем». Это направление исследований охватывает достаточно широкий круг процессов: и тепловую подвижность молекул и макромолекул, и трансляционную подвижность молекул в растворах и расплавах, и взаимодиффузию, и проницаемость мембран, спектры времен релаксации и спектры коэффициентов самодиффузии и т. п.

Особое место в динамике молекулярных систем занимает кинетика фазового распада в системах с аморфным расслоением, кристаллическим равновесием, структурообразованием при химических превращениях компонентов растворов и расплавов.%

Это направление исследований также частично нашло свое отражение в лекциях и докладах, представленных на школе.

Хотелось бы надеяться, что у слушателей школы формируется некоторая общая физико-химическая картина поведения молекулярных и макромолекулярных систем в процессах синтеза, исследования и практического использования. Хочу пожелать молодым ученым России, специализирующимся в области синтеза, структурного анализа и динамики молекулярных систем, оптимизма и творческих успехов. Для этого у нас все есть.