Учёные программируют создание кристаллических цветов и фигур, формы которых связаны с различными физико-химические свойствами материалов. Эти материалы могут найти применение в точечной доставке лекарств, очистке воды и поглощении углекислого газа, сообщили исследователи из РТУ МИРЭА и РУДН.
Евгения Васильева
Иллюстративное фото. Источник: thedebrief.org
Форма кристаллов связана с их свойствами
Специалисты РТУ МИРЭА и РУДН освоили управление формой новых материалов — металл-органических каркасных полимеров. Теперь микрокристаллы можно заставлять расти в виде необычных цветов, птичьих перьев, шаров и пластин. Как уточнили ТАСС в пресс-службе РТУ МИРЭА, эта разработка может стать основой для новых сенсорных устройств.
Внешний вид кристаллов напрямую связан с их характеристиками, что даёт возможность оценивать свойства материала без сложного оборудования.
«Наше решение открывает путь к созданию более производительных датчиков, систем для адсорбции и хранения газов, а также катализаторов. Такие материалы пригодны для адресной доставки медикаментов, очистки воды и улавливания углекислого газа», — рассказали в вузе.
Практическая значимость работы для решения современных задач материаловедения заключается в том, что предложенный подход позволяет отказаться от длительных и дорогостоящих этапов подбора условий синтеза, которые ранее требовались для получения материалов с заданной морфологией.
Традиционно исследователям приходилось проводить сотни экспериментов, варьируя температуру, давление, концентрацию реагентов и растворители, чтобы получить кристаллы нужной формы. Теперь же, опираясь на установленные закономерности между составом и геометрией, можно прогнозировать результат ещё до начала реакции. Это сокращает время разработки новых функциональных материалов с недель и месяцев до нескольких дней, что особенно важно для прикладных задач в промышленности и медицине.
Материалы работают как конструктор
Автор проекта, студент РТУ МИРЭА Даниил Валешный, пояснил, что эти материалы работают как конструктор: металлы соединяются с органическими «перемычками», образуя пористые кристаллические решётки. Они способны впитывать и удерживать разные вещества, словно губка, а затем высвобождать их по сигналу исследователя. Однако до настоящего времени было неясно, каким образом придавать таким кристаллам желаемую форму — например, пластинчатую или сферическую.
Профессор РТУ МИРЭА Галина Кузьмичева отметила: «Выяснилось, что форма микрокристаллов определяется типом редкоземельного металла, их количеством, сочетаниями и строением органической молекулы-связки. Подбирая эти параметры, мы получили широкий набор форм — от тонких прямоугольных пластин до сферолитов, которые напоминают радиально расходящиеся лучи или снежинки. Кроме того, мы установили, что по внешнему виду можно судить о внутренней структуре, что заметно упрощает контроль состава в ходе технологического процесса».
Ключевым преимуществом полученных кристаллов является их высокая удельная поверхность, которая напрямую зависит от формы. Например, тонкие пластины обеспечивают максимальный контакт с окружающей средой, что делает их идеальными для создания высокочувствительных газовых сенсоров.
Сферолиты, в свою очередь, обладают развитой внутренней пористостью, позволяющей удерживать значительные объёмы газов или жидкостей. Такая вариативность открывает возможности для создания мультимодальных устройств, где разные части одного датчика могут одновременно реагировать на различные химические соединения, что повышает точность и скорость анализа.
Возможное применение – фармацевтика и экология
Особый интерес представляет применение этих материалов в области адресной доставки лекарств. Пористая структура кристаллов способна поглощать молекулы активных фармацевтических субстанций, а затем высвобождать их под воздействием определённых триггеров — например, изменения кислотности среды или температуры.
Благодаря возможности контролировать форму микрокристаллов, исследователи могут подбирать оптимальный профиль высвобождения для каждого конкретного препарата: от мгновенного введения дозы до пролонгированного действия в течение нескольких суток. Это делает систему гибкой и адаптируемой под индивидуальные потребности пациента.
Не менее перспективно использование данных материалов в экологических технологиях. Способность каркасных полимеров селективно поглощать углекислый газ уже известна, однако новая методика позволяет создавать кристаллы с заданным соотношением каналов и полостей, что повышает эффективность улавливания CO₂ из промышленных выбросов.
Аналогичный подход может применяться и для очистки воды: кристаллы, обладающие формой «перьев» или «шаров», способны захватывать ионы тяжёлых металлов и органические загрязнители, после чего их легко извлечь из раствора для повторного использования. Таким образом, разработка решает сразу несколько задач устойчивого развития, предлагая недорогой и масштабируемый метод синтеза.
В дальнейшем коллектив планирует расширить спектр исследуемых редкоземельных металлов и органических связок, чтобы создать библиотеку форм с заранее заданными свойствами.
Это позволит не только улучшить характеристики существующих сенсоров, но и разработать принципиально новые устройства, например, для мониторинга состояния окружающей среды в режиме реального времени или для создания «умных» упаковочных материалов, сигнализирующих о порче продуктов.
Ожидается, что первые коммерческие прототипы на основе таких кристаллов могут появиться уже в ближайшие два-три года, а сама технология станет доступной для широкого круга исследовательских лабораторий и производственных площадок.
