Наносистемами принято называть объекты у которых по крайней мере один из размеров не превышает 100 нм (наночастицы, нанотрубки, фуллерены и др.). Хорошо известно, что нанообъекты обладают рядом уникальных свойств, отличных от макроскопических тел. Благодаря этим свойствам существуют громадные перспективы создания конструкционных материалов с уникальными прочностными характеристиками (нанокомпозиты и нанокерамики), газовых сенсоров, катализаторов, оптических материалов, холодных катодов, резервуаров для газов, новых лекарственных форм, наномеханических устройств и т.д. С другой стороны, в последние годы стало известно, что наночастицы могут быть чрезвычайно опасны для здоровья человека. При попадании в легкие наночастицы легко достигают альвеолярных участков, вызывая эмфизему легких и далее, проникая в кровь, приводят к различным заболеваниям, в частности, поражая мозг. В настоящее время стало очевидным, что дальнейшее научное и технологическое продвижение в области наноразмерных форм вещества требует 1) развития методов анализа наносистем, 2) изучения механизма образования нанообъектов, 3) исследования физико-химических свойств наноматериалов, 4) создания новых наноразмерных форм лекарственных средств и исследования вредного воздействия наночастиц на здоровье человека. Чаще всего в природе и в промышленных процессах наночастицы образуются в виде аэрозоля, причем, как правило, в термических процессах: горение, пиролиз, конденсация пересыщенного пара.
Поэтому целью данной работы являлось: 1) Разработка новых методов анализа наноаэрозоля, поскольку существующие в мире приборы для оперативного анализа дороги и неэффективны при малых концентрациях аэрозоля; 2) Исследование механизма нуклеации пересыщенного пара металлов (Zn, Ag), Исследование механизма образования наночастиц оксидов металлов (TiO2, Al2O3) при горении металлических частиц, Исследование механизма образования наночастиц при пиролизе углеводородов (синтез углеродных систем для катализа, сорбентов, анодов для литиевых аккумуляторов и др.), металлсодержащих предшественников типа Fe(CO)5 (магнитные системы для хранения информации с высокой плотностью, газовые сенсоры), и смесей углеводородов и металлсодержащих соединений (синтез углеродных нанотрубок); 3) Исследование влияния адсорбции газов CO, O2 на магнитные свойства наночастиц железа; 4) Исследование противовоспалительного эффекта наночастиц индометацина (нестероидное противоспалительное средство) и его вредного воздействия на здоровье в ингаляционных экспериментах с лабораторными животными - мыши, крысы).
Результаты: 1) Создан Диффузионный Спектрометр Аэрозолей (ДСА), позволяющий измерять спектры размеров аэрозольных наночастиц в диапазоне размеров 3 - 200 нм и их концентрацию в диапазоне 1 - 109 частиц/см3 [1, 2]. На "Workshop" Вена 2000 спектрометр ДСА вместе с прибором DMA фирмы TSI были признаны лучшими. Спектрометр ДСА был награжден Большой Золотой Медалью на Сибирской Ярмарке (СИБПОЛИТЕХ 2006) [3] Разработан термопреципитатор позволяющий отбирать образцы для Электронной Микроскопии (ЭМ) и других методов с высокой эффективностью [4]. Разработаны теоретические подходы для определения эффективности отбора частиц для ЭМ и других методов с помощью вакуумного импактора [5].
2) Разработан теоретический подход, позволяющий определять зависимость поверхностного натяжения наночастиц от их радиуса из экспериментально измеренной скорости нуклеации из пересыщенного пара в зависимости от температуры и пересыщения [6]. Созданный подход по сути является расширением Теории капиллярности Гиббса и более поздней термодинамической теории некритических зародышей Рейса - Кусаки. На основе разработанного подхода и своих экспериментальных данных по скорости нуклеации [6, 8, 26] авторами получены зависимости поверхностного натяжения от радиуса наночастиц Zn, Ag, а также Li, Na, Cs, Hg (используя литературные экспериментальные данные по скорости нуклеации). Исследовано образование заряженных агрегатов AgI при нуклеации пересыщенного пара [7]. Исследован механизм горения частиц Ti и Al в воздухе [9 - 15, 22, 27 ], включающий в себя испарение материнской частицы. диффузию кислорода к частице, нуклеацию пересыщенного пара, высокотемпературную зарядку частиц за счет термоэлектронной эмиссии, кристаллизацию наночастиц оксида металла , агрегацию наночастиц. Исследован механизм образования наночастиц сажи при пиролизе и горении пропана и бензола [16-18, 23], наночастиц железа при пиролизе Fe(CO)5 [16-19] и углеродных нанотрубок при пиролизе смеси C3H8 + Fe(CO)5 [16, 18].
3) Исследованы магнитные свойства наночастиц Fe инкапсулированных в углеродную матрицу методом магнитной индукции и ЭПР. Показано, что ферромагнетизм частиц обратимо разрушается при адсорбции CO [20], что может быть перспективным для создания газовых сенсоров.
4) Исследовано осаждение сажистых наночастиц в легких мышей [21] Исследован терапевтический эффект наночастиц индометацина (в диапазоне 5 - 200 нм) при его администрировании в легкие лабораторных мышей [24, 25]. Установлено, что аэрозольная форма индометацина гораздо более эффективна, чем пер-оральное введение (т.е.через желудок). Аэрозольная форма даже при дозе на шесть порядков меньшей, чем при пер-оральном введении, более эффективна. Однако, установлено, что даже такие низкие дозы индометацина, как 10-6 г/кг вызывают эмфизему легких.
Работы по представляемой тематике финансировались из 2 грантов МНТЦ, 1 гранта Интас, 5 грантов РФФИ, 1 международного контракта; по материалам работы успешно защищены 2 диссертации кандидатов наук, 2 диплома: бакалавр и специалист (один из них отмечен на всероссийском студенческом конкурсе работ Министерства Образования РФ), работа аспиранта в течение 2- лет поддерживалась потанинской стипендией.
1. A. Ankilov, A. Baklanov, M. Colhoun, K.-H. Enderle, J. Gras, Yu. Julanov, D. Kaller, A. Lindner,A.A. Lushnikov, R. Mavliev et al., // Atmospheric Research 62 (2002) 177-207
2. A. Ankilov, A. Baklanov, M. Colhoun, K.-H. Enderle, J. Gras, Yu. Julanov, D. Kaller, A. Lindner,A.A. Lushnikov, R. Mavliev et al., // Atmospheric Research 62 (2002) 209-237
3. Диплом и Большая золотая медаль Сибирской ярмарки 2006 г за создание спектрометра ДСА. Бакланов А.М., Митроченко В. Г., Дубцов С.И.
4. D. Gonzalez, A. G. Nasibulin, A. M. Baklanov, S. D. Shandakov, D. P. Brown, P. Queipo, and E. I. Kauppinen. // Aerosol Science and Technology, 2005 V. 39. pp. 1-8.
5. Sheng-Chieh Chen, Chuen-Jinn Tsai, Cheng-Han Wu, David Y.H. Pui, Andrei A. Onischuk and Vladimir V. Karasev //Journal of Aerosol Science//V 38, # 9, 2007, Pp. 935-949
6. Onischuk A. A., Purtov P. A., Baklanov A. M., Karasev V. V., Vosel S. V. //THE JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS //124, 014506-1 - 014506-13 (2006)
7. 7 A. A. ONISCHUK, S. di STASIO, A. M. BAKLANOV,V. V. KARASEV, A. L.VLASENKO, A. N. ANKILOV, V. N. PANFILOV // J. of Aerosol Science, 2001, V.32 pp891-892
8. Onischuk A. A., Vosel S. V., Purtov P. A., Baklanov A. M. // Combustion and pollution: Environmental impact. Eds. G. Roy, S. Frolov, A. Starik. ISBN 5-94588-034-5., Torus Press. Moscow 2005, рр.235 - 250.
9. Карасев В. В., Онищук A. A., Хромова С. А., Глотов O. Г., Зарко В. Е., Пилюгина Е. А., Ч.-Цз. Тсай // Физика горения и взрыва 42, №6, 33 – 47 (2006)
10. О. Г. Глотов, А. А. Онищук, В. В. Карасёв, В. Е. Зарко, А. М. Бакланов. // ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007. т. 413, № 2. с. 206-209
11. V. V. Karasev, A. A. Onischuk, S. A. Khromova, O. G. Glotov, V. E. Zarko, E. A. Pilyugina, C.-J. Tsai, P. K. Hopke. //. Energetic Materials – Insensitivity, Ageing, Monitoring. 37th International Annual Conference of ICT. Karlsruhe, Germany, 2006, PP. 124-1 to 124-12. Editor: Fraunhofer-Institut fur Chemiche Technologie (ICT).
12. S. A. Khromova, V. V. Karasev, A. A. Onischuk, O. G. Glotov, and V. E. Zarko., NONEQUILIBRIUM PROCESSES,vol. 2: Plasma, Aerosols, and Atmospheric Phenomena, Eds: G. Roy, S. Frolov, A. Starik, ISBN 5-94588-034-5, TORUSPRESS, Moscow, 2005, pp. 225-234.
13. V. V. Karasev, A. A. Onischuk, C.-J. Tsai. // Energetic Materials – Characterisation and Performance of Advanced Systems,. 38th Int-l Annual Conference of ICT. Karlsruhe, Germany, 2007, PP. 96-1 to 96-6. Editor: Fraunhofer-Institut fur Chemiche Technologie (ICT).
14. Karasev V.V., Onischuk A.A., Glotov O.G., Baklanov A.M., Pilyugina E.A., Kiskin A.B., Zarko V.E. // Energetic materials. Structure and properties. Proceedings of 35th Int. annual conference of ICT, Karlsruhe, FRG, (M. Herrmann, Ed.). Rep. 139, 12 pages, (2004)
15. N. A. Ivanova, S. di Stasio, A. A. Onischuk , A.M. Baklanov, and V. V. Karasev.// NONEQUILIBRIUM PROCESSES, vol. 2: Plasma, Aerosols, and Atmospheric Phenomena, Eds: G.Roy, S. Frolov, A. Starik, ISBN 5-94588-034-5, TORUS PRESS, Moscow, 2005,pp. 192-205.
16. N.A. Ivanova, A.A. Onischuk, S. di Stasio, A.M. Baklanov, G.A. Makhov // Energetic Materials – Characterisation and Performance of Advanced Systems,. 38th Int-l Annual Conference of ICT. Karlsruhe, Germany, 2007, PP. 63-1 to 63-11. Editor: Fraunhofer-Institut fur Chemiche Technologie (ICT).
17. Иванова Н. А., Онищук А. А., Бакланов А. М..//, Хим. Физ., 25(9), 91 – 105 (2006)
18. N A Ivanova, A A Onischuk, S di Stasio, A M Baklanov and G A Makhov // J. Phys. D: Appl. Phys. 40 (2007) pp. 2071–2082
19. Иванова Н.А., Бакланов А.М., Онищук А.А. // Хим. Физ., 4(4),. 84-94 (2005).
20. N. A. Ivanova, A. A. Onischuk, S. V. Vosel, P. A. Purtov, N. T. Vasenin, V. F. Anufrienko, V. N. Ikorski // Applied Magnetic Res., 2007, V. 33, issue 3, pp 17-19.
21. M. Baklanov, V.V. Karasev, A.A. Onischuk, A.N. Sergeev, A.S. Safatov, O. P'iankov, E.I. Riapchikova, B.N. Zaitsev, A.S. Toporkov // Proceedings of the SIXTH INTERNATIONAL AEROSOL CONFERENCE, Taiwan, Taipei, 2002, pp 385-386.
22. Karasev V.V., Onischuk A.A.,. Glotov O.G, Baklanov A.M., Maryasov A.G., Zarko V.E., Panfilov V.N., Levykin A.I., Sabelfeld K.K. // Combustion and Flame, 138, 40-54 (2004)
23. Karasev V. V., O. G. Glotov, A. M. Baklanov, N. A. Ivanova, A. R. Sadykova, and A.A. Onischuk. // Combustion and pollution: Environmental impact.(Eds. G. Roy, S. Frolov, A. Starik.) ISBN 5-94588-030-2., Torus Press. Moscow 2005, рр. 207-228.
24. А.А. Онищук, Т.Г. Толстикова, И.В. Сорокина, Н.А. Жукова, A.M. Бакланов, ВВ. Карасев, В.В. Болдырев, В.М. Фомин, А.Е. Просенко // Нанотехнологии и наноматериалы для биологии и медицины : сборник материалов научно-практической конференции с международным участием : в 2 ч., Новосибирск, 2007. (ISBN 978-5-334-00031-5), часть1, стр. 212-226
25. Onischuk, T. G. Tolstikova, I. V. Sorokina, N. A. Zhukova, A.M. Baklanov, V. V. Karasev, V. V. Boldyrev, V. M. Fomin, A. E. Prosaiko, C.-J. Tsai. //3rd International Symposium on Nanotechnology, Occupational and Environmental Health ,2007, Taipei, Taiwan, pp. 198-199
26. C. Baratto, G. Sberveglieri , A. Onischuk , B. Caruso , S. di Stasio, Sensors and Actuators B, 100 (2004) 261–265
27. Р. С. Захаров, О. Г. Глотов, Вестник НГУ. Серия: Физика. 2007. Том 2, выпуск 3, стр. 32 - 40