Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В настоящее время полиэлектролиты и супрамолекулярные сборки играют важную роль в разработке новых материалов. Их использование позволяет создавать новые свойства материалов и поверхностей и изменять их в широком диапазоне. Для полиэлектролитов современные методы делятся на три области - процесс послойного осаждения, свободные пленки, гидрогели на основе полиэлектролитов (Macromol. Biosci. 2021, 2100117). В этом проекте гидрогели на основе полиэлектролитов и супрамолекулярных сборок находятся в фокусе для создания программируемых материалов, гибких электрических компонентов. В 2021 году разработаны следующие направления. Регулирующие гидрогелевые приводы с химическими реакционными сетями играют важную роль в создании искусственных материалов, вдохновляющих жизнь. Предложены гидрогелевые приводы, которые регулируются автокаталитическим фронтом тиолов. Это включение также позволяет передавать химические сигналы релейным способом и преобразовывать химический сигнал в электрический сигнал. Места и время спонтанного инициирования автокаталитических фронтов могут быть предварительно запрограммированы в пространственном распределении реагентов в гидрогеле. Чтобы приблизиться к функциональности живой материи, приводы, запускаемые автокаталитическим фронтом, могут быть интегрированы в интеллектуальные материалы, регулируемые химическими схемами. Статья принята в печать в Advanced Materials (IF= 30.849). Был продемонстрирован мягкий гидрогелевый привод для быстрого обнаружения бактерий с помощью машинного обучения. Биоэлектрохимическая платформа сокращает время обнаружения с 3-х дневного периода с культивирование классическим методом до 15 минут при использовании предложенной методики. Машинное обучение и роботизированные биоаналитические платформы требуют новых принципов, таких как приводы на основе гидрогеля, для быстрого и простого анализа биоактивных аналитов. Для обучения алгоритму многослойного перцептрона используют вольт-амперные кривые. Модель многослойного перцептрона способна обнаруживать бактерии в диапазоне концентраций 104-108 КОЕ/мл как в культуральной среды, так и в молочных продуктах с высокой точностью (94%). Такое быстрое и легкое биодетектирование чрезвычайно важно для пищевой и сельскохозяйственной промышленности, биомедицины и экологии. Статья рассматривается журнале первого квартиля Q1. Были предложены гидрогели с полиэлектролитной мембраной с конструкцией, подразумевающей способность контролировать образование и, следовательно, толщину и пространственную конфигурацию мембраны в слое гидрогеля с использованием приложенного напряжения. Электроды соединяли с гидрогелем с образованием мембраны. Начальная толщина мембраны составляла 2,42 мм. Затем прикладывали напрядение 5 Вт к системе в течение одного часа. При приложенном напряжении катионы NH4+ и Na+ высвобождались из мембраны и перемещались к катоду, в то время как F- анионы перемещались к аноду. После высвобождения ионов слабо удерживаемые друг с другом полиэлектролиты также начинают расходиться в сторону анода и катода. В результате этих процессов толщина мембраны уменьшается до 1,1 мм. После снятия приложенного напряжения полиэлектролиты и ионы снова начинают образовывать мембрану, в результате чего ее толщина увеличивается. В течение 24 часов мембрана частично восстанавливала свою толщину до 1,83 мм благодаря процессам диффузии полиэлектролита и ионов. Таким образом, обеспечение постоянного дренажа и притока ионов и полиэлектролитов позволяет получить мембраны произвольной толщины и емкости. Различные скорости диффузии в электрод малых ионов и полиионов выводят систему полиэлектролитов из равновесия. Возврат системы в равновесие за счет образования полиэлектролитного комплекса занимает больше времени, так как она не подвергается внешнему стимулированию в виде приложенного напряжения. Таким образом, предложены подходы к залечиванию полиионных мембран. Статья рассматривается журнале первого квартиля Q1. Достижения в синтезе и хемометрке новых органических соединений произвели революцию в темпах научного прогресса и позволили приблизить понимание функционирования сложных систем. Показываем, что сочетание хирального зондирования на основе электроаналитических методов EGaIn, слабых взаимодействий в гидрогеле и мощных хемометрических аналитик накапливают оптимизированную методологию мультимодальных измерений. Предложенная методика измерения позволяет анализировать энантиомерный состав и концентрацию без трудоемкого и трудоемкого физического разделения. Практичность, высокая точность и скорость такого подхода демонстрируются с помощью L- и D-тирозина и их смесей. Преимущества по сравнению с хроматографическими методами и другими классическими методами идентификации смесей энантиомеров включают простоту работы, увеличение скорости, уменьшение образования отходов, низкую стоимость и возможность одновременного анализа большого количества образцов. Статья приготовлена к отправке в журнал первого квартиля Q1.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В наши дни важность электроники на основе мягких материалов быстро возрастает. Благодаря своим выдающимся свойствам (таким как гибкость и растяжимость) этот тип электрических компонентов может найти потенциальное применение для создания портативной и носимой электроники, биосовместимых устройств. Особое внимание привлекают гидрогели, легированные различными химическими соединениямии, супрамолекулярные сборки на основе гидрогелей, жидкие сплавы в качестве потенциальных электрических компонентов, с возможностью переключения между ними. На данный момент по проекту опубликовано две статьи в журналах Q1: статья напечатана в Adv. Mater. 2022, 2106816 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202106816, (с обложкой (outside front cover page)), и статья в ACS Appl. Mater. Interfaces 14 (2022) 7321 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c22470. Еще две статьи находятся в редакции журналов Q1, после ответов рецензентам, и поданы в печать один обзор и две статьи. Таким образом, в 2022 году разработаны следующие новые направления, статьи по которым находятся в издательствах, либо готовятся и будут поданы в печать в ближайшее время. Часть в подготовленном обзоре посвящена гидрогелям и показаны конкретные примеры использования техники машинного обучения для изучения строение и свойства гидрогелей на молекулярном, микроскопическом и макроскопическом уровнях. Подходы искусственного интеллекта значительно улучшили предсказание свойств материалов, стимулировал прогресс в методологиях моделирования, способных выявлять физические явления, и открыли новые перспективы в разработке и использовании устройств из мягких материалов. По этой причине мы также предоставить руководство по методам машинного обучения и рекомендации по передовым методам работы с данными понимание. Одна из работ после ответов рецензентам, сейчас в издательстве, так был разработан подход к периодическому формированию полиэлектролитных комплексов посредством иерархической организации типа Лизеганга. Регулировка условий реакции позволяет собирать материалы с настраиваемой пространственно-временной геометрией и устанавливать циклы производства материалов с регулируемой периодичностью. Предлагаемая методика позволяет мембране самособираться при стремлении достичь баланса и самовосстанавливаться после воздействия внешних раздражителей, таких как разность потенциалов и высокий рН. С помощью хронопотенциометрии было продемонстрировано поведение проницаемости для ионов К+ коацерватных мембран. Периодически самособирающиеся коацерватные мембраны могут быть дополнительно интегрированы в новые устройства хранения энергии и интеллектуальные биосовместимые мембраны для бионики, мягких нанороботов, биосенсоров и биокомпьютеров. Статья рассматривается в журнале первого квартиля Q1. Было обнаружено мемристорное свойство тонкой пленки, образованной на границе раздела эвтектического сплава галлия-индия (eGaIn) и гидрогеля с 0.1М концентрацией Cu2+. Сканирующая электронная микроскопия показывает образование нерастворимой пленки сложного состава и структуры на поверхности эвтектического сплава под фиксированным напряжением (1V). Кроме того, на поверхности этой пленки находятся частицы меди размерностью 5–7 мкм, которые создают неоднородность и мемристивность пленки. Адаптивное поведение и синаптическая пластичность полученной пленки была охарактеризована циклической вольтамперометрией и хроноамперометрией. Исследование пленки в режиме постоянного тока показывает биполярное поведение и непрерывное распределение состояний резистентности, что указывает улучшенное сохранение данных. Полученные результаты дают возможность использования мемристоров на основе eGaIn для создания нейроморфных устройств на гибких носителях. Статья готовится к отправке в журнал первого квартиля Q1. Подход предсказание состава в многокомпонентных смесях за счет сбора данных вольтамперных характеристик и последующего предсказания нейронной сетью показало свою эффективность в распознавания остатков антибиотиков в молоке. Для сбора электрохимических данных был изготовлен многоэлектродный датчик, включающий медь, никель и углеродное волокно. Химические аспекты процессов, происходящих на поверхности электрода, обсуждались и моделировались с помощью моделирования молекулярного докинга и теории функционала плотности. Предполагалось, что антибиотический отпечаток проявляется как потенциальный дрейф электродов вследствие окислительно-восстановительного распада молекул антибиотика с последующим изменением рН или комплексообразованием с ионами, присутствующими в молоке. Алгоритм повышения градиента показал наибольшую эффективность при обучении модели машинного обучения. Максимальная точность 89–100% достигнута для распознавания 6 классов, в том числе 5 антибиотиков и молока. Разработанный метод может быть внедрен в существующие системы доения на молочных фермах для контроля остаточных концентраций антибиотиков. Статья рассматривается в журнале первого квартиля Q1. Возможность предсказания свойств полимерных материалов с помощью квантово-химические расчетов показало возможность рассчитать антиоксидантные свойства модифицированного хитозана. В этом исследовании основная цепь хитозана (Cs) была функционализирована 2,2',4,4'-тетрагидроксибензофеноном (THB) с помощью основания Шиффа, связывающего молекулы в повторяющиеся аминогруппы. Была рассчитаны свободные энергии Гиббса отрыва атома водорода от гидроксильных групп Cs и Cs-THB и аминогруппы Cs в водной фазе и для имитации DPPH теста рассчитаны свободные энергии Гиббса реакции отрыва атома водорода радикалом DPPH- в растворе метанола. Было обнаружено, что отрыв атома водорода от аминогруппы Cs является наиболее термодинамически выгодным. Уменьшение свободной энергии Гиббса при отрыве атома водорода от Cs-THB-OH2∙ по сравнению с Cs-THB-OH1∙ связано с образованием водородных связей между гидроксильной группой и кислородом хитозанового кольца. Поскольку водородные связи у фенольных гидроксильных групп в модифицированном хитозане не образуются, полученный материал является более полезным антиоксидантом, чем исходный полифенол. Данный подход квантово-химического моделирования является перспективным и будет иметь прогностическую силу для предсказания новых гибких компонентов для “умных” устройств с заданными свойствами. Статья рассматривается в журнале первого квартиля Q1. Был предложен подход использования гибких ионоселективных электродов, основанных на постепенном осаждении полиэлектролитов слой за слоем на углеродном волокне, для исследования механизма передачи сигнала через кальциевые каналы в клетках, расположенных на структурах гидроксиапатита в гидрогелях, посредством пространственно распространяющихся волн кальция, натрия и калия. Норадреналин использовался в качестве активатора кальциевых каналов, с целью привести к высвобождению внутриклеточного кальция с последущим изменением количества натрия и калия во внеклеточном пространстве. Для обнаружения ионных всплесков во внеклеточном пространстве был предложин подход, заключающийся в локализации клеток на поверхности самособирающихся гидроксиапатитовых паттернов с последующей фиксацией ионоселективных микроэлектродов паттернах. Таким образом, с помощью электрохимического метода и ионоселективных электродов удалось измерить изменение концентрации ионов во внеклеточном пространстве при клеточном общении, вызванное возникновением ионного тока. Данная работа подчеркивает потенциальное применение гибких сенсорных систем, состоящих из гидрогелей и углеродного волокна для изучения межклеточной коммуникации. Статья рассматривается в журнале первого квартиля Q1.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В современном мире значимость электроники, созданной на основе мягких материалов, стремительно растет. Благодаря своим выдающимся характеристикам, таким как гибкость и растяжимость, эти типы электрических компонентов могут найти потенциальное применение в разработке портативных и носимых устройств, а также в создании биосовместимых устройств. Особое внимание привлекают гидрогели, обогащенные различными химическими соединениями, супрамолекулярные сборки на основе гидрогелей, а также жидкие сплавы в роли потенциальных электрических компонентов с возможностью переключения между ними. В этом году по проекту было опубликовано 3 статьи в журналах Q1: - Langmuir (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.langmuir.3c00822) - Chem (https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S245192942300428X) - Molecules (https://www.mdpi.com/1420-3049/28/15/5931?type=check_update&version=2) Одна обзорная статья принята для публикации в журнале Materials Advances, одна находится на рецензии в журнале Biosensors and Bioelectronics и еще две подготовлены к публикации в журналах Angewandte Chemie и ACS Applied Materials & Interfaces. Таким образом, в 2023 году были разработаны следующие подходы, результаты которых были опубликованы в журналах. Был разработан электрохимический биосенсор с использованием аптамеров для обнаружения пестицида глифосата. В рамках работы была создана система анализа, направленная на повышение скорости и точности обнаружения остатков пестицидов с целью минимизации их потенциального воздействия на здоровье человека. Исследование включало использование аптамеров, отобранных методом SELEX, которые были интегрированы в электрохимический биосенсор на основе углеродных волокон. Это обеспечило высокую селективность и чувствительность при обнаружении даже микромолярных концентраций глифосата. Биосенсор демонстрировал высокую селективность при обнаружении других веществ. Электроды из углеродного волокна, созданные с использованием самосборки слой за слоем, обладают возможностью полной автоматизации, что открывает перспективы для создания полностью роботизированных аналитических систем. Все эти результаты указывают на практическую реализацию метода для обнаружения пестицидов в сельском хозяйстве, включая контроль остаточных концентраций глифосата в почве и воде. Статья опубликована в журнале первого квартиля Q1. Об актуальности электрохимических сенсоров в настоящее время свидетельствует разработка быстрого метода, объединяющего электрохимический анализ с моделями машинного обучения для идентификации и количественного определения содержания бактерий группы кишечной палочки (E. Coli). Исследование представляет платформу на основе жидкого сплава галлия-индия (eGaIn) и гидрогеля, способную идентифицировать концентрации живых бактерий в диапазоне от 10² до 10⁹ КОЕ/мл всего за 30 минут. Множество алгоритмов машинного обучения, включая многослойный перцептрон, градиентный бустинг и случайный лес, были использованы для обеспечения точности идентификации. Результаты исследования демонстрируют высокую точность модели и эффективность метода для быстрого и точного определения содержания E. coli в образцах с использованием современных технологий электрохимического анализа и машинного обучения. Статья находится на рецензии в журнале первого квартиля Q1. В настоящее время особенно актуален синтез систем и материалов, вдохновленных жизнью, через взаимодействие нелинейных химических реакций, диффузии и фазового разделения жидкость-жидкость. Результаты исследования демонстрирует механизм формирования сложных микроструктур через кинетически контролируемую самосборку, регулируемую химическими реакциями. Исследование также предлагает рациональный дизайн реакционных сетей для регулирования сборки целевых структур. Полученные результаты могут быть ключевыми для создания химических систем, вдохновленных жизнью, и имеют потенциальное значение для понимания пребиотического метаболизма и разработки систем доставки лекарств на нано- и микромасштабах. Статья опубликована в журнале первого квартиля Q1. В опубликованной нами обзорной статье рассматриваются достижения в использовании диффузии для создания функциональных материалов на основе гидрогелей. Основной акцент делается на различных областях применения, таких как доставка лекарств, регенеративная медицина, ранозаживление, а также создание стимул-отзывных материалов в робототехнике. Статья предоставляет многочисленные примеры использования гидрогелей и обсуждает механизмы диффузии лекарств, подчеркивая их значимость в создании материалов с уникальными свойствами. Литературный обзор целенаправлен на рассмотрение перспектив применения гидрогелей в различных областях, а также на предложение рационального дизайна реакционных сетей для регулирования сборки структур. Статья опубликована в журнале первого квартиля Q1. Другая обзорная статья посвящена потенциалу двумерных материалов в области возобновляемых источников энергии. Работа раскрывает разнообразные применения, включая солнечные элементы, батареи и суперконденсаторы, и рассматривает также альтернативные области использования, такие как самовосстанавливающиеся покрытия и электрохимическое восстановление углекислого газа. Обзор подчеркивает значимость понимания взаимосвязи структура-свойство в двумерных материалах и обсуждает использование алгоритмов машинного обучения для прогнозирования и оптимизации свойств этих материалов. Статья принята к публикации в журнале первого квартиля Q1. Проведена обширная работа по синтезу умных 2D-материалов, в основном на гибридной платформе eGaIn и гидрогеле, открывшей перспективы для новых электронных компонентов. Гидрогели разного состава исследовались для создания тонкослойного интерфейса на поверхности eGaIn, образуя нерастворимые оксидные пленки, действующие как электронные компоненты. Вольтамперные характеристики гидрогелей с разными добавками использовались для обучения нейронной сети, предсказывающей состав геля и концентрацию бактерий. Обнаружено мемристорное свойство тонкой пленки на границе eGaIn и гидрогеля с Cu2+, подтвержденное методами микроскопии и спектроскопии. Мемристоры на основе eGaIn обладают адаптивностью и синаптической пластичностью, что открывает возможности для создания нейроморфных устройств на гибких носителях. Полученные результаты делают мемристоры на основе eGaIn перспективными для инновационных электронных компонентов с использованием умных 2D-материалов. Статья подготовлена к отправке в журнал первого квартиля Q1. Развитие новых органических соединений и хемометрических методов актуализирует электрохимические сенсоры, внедряя революционные изменения в научном прогрессе. Разработан подход с использованием электроаналитических методов на базе eGaIn для определения хиральности и слабых взаимодействий в гидрогеле, интегрируя хемометрические инструменты. Создана оптимизированная методология мультимодальных измерений, эффективно определяющая энантиомерный состав и концентрацию без сложного физического разделения. Метод обеспечивает высокую точность, скорость и простоту использования, анализируя L- и D-тирозин и их смеси. Применение электрохимического анализа, особенно вольтамперометрии с электродом eGaIn, раскрывает новые перспективы для обнаружения энантиомеров, преодолевая электрокинетические ограничения. Использование машинного обучения и глубокого обучения дополнительно расширяет возможности для работы с биологическими и химическими системами. Полученные результаты подчеркивают эффективность электрохимических методов в распознавании энантиомерных соединений и указывают на их потенциал в различных областях науки. Статья подготовлена к отправке в журнал первого квартиля Q1.