Межфазные взаимодействия и механизмы формирования нанофаз природного аморфного углерода и минералов алюмосиликатов и их использование для создания природоподобных нанокомпозитов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-47-00019

НазваниеМежфазные взаимодействия и механизмы формирования нанофаз природного аморфного углерода и минералов алюмосиликатов и их использование для создания природоподобных нанокомпозитов

Руководитель Голубев Евгений Александрович, Доктор геолого-минералогических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Коми научный центр Уральского отделения Российской академии наук" , Республика Коми

Конкурс №52 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC)

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-210 - Физика и термодинамика минералов

Ключевые слова фазовые границы; природоподобные материалы, нанозимы, прикладная минералогия, физико-химические свойства минералов, алюмосиликаты, графен, фуллерены, наноструктурированный природный углерод, микроскопия высокого разрешения, спектроскопия

Код ГРНТИ38.35.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Природоподобные материалы, прежде всего наноструктурированные, являются объектом интенсивного изучения в связи с перспективами создания функциональных материалов с уникальными физико-химическими свойствами на их основе. Наноматериалы, синтезируемые по природным аналогам и из минерального сырья, как правило, обладают хорошей биосовместимостью, уникальными механическими и трибологическими характеристиками, избирательными сорбционными и электрофизическими свойствами, поэтому они имеют большие перспективы применения в высокотехнологичной медицине и промышленности, в частности, активное внедрение наноструктурированных природоподобных материалов происходит в хирургии, имплантологии, вирусологии, биоинженерии, электронике, робототехнике, а также для решения экологических проблем. Одним из ключевых факторов, определяющих все эти свойства и соответственно перспективы материалов, является межфазное граничное взаимодействие в композиционных наноструктурированных объектах. Ультрамалые размеры дисперсных частиц (индивидов) делают чрезвычайно чувствительными к влиянию границ весь объем такого вещества, его структуру и процессы агрегации, что дает возможность, изучая особенности природных веществ и их синтетических аналогов, сделать доступным управление технологически важными параметрами композиционных материалов. Основная часть предлагаемого проекта направлена на установление и характеристику межфазных граничных взаимодействий при реконструкции процессов минералообразования в значимых объектах технической и медицинской минералогии и материаловедения – алюмосиликатных минералах и некристаллических наноструктурированных углеродных веществах (шунгитах и антраксолитах). Важная часть проекта заключается в характеристике межфазного синергетического воздействия природоподобных углеродных нанозимных комплексов на стимулированные эффекты поглощения радикалов и хелатирования с выделением радионуклидов. На основе природного аморфного углерода (шунгита, антраксолита) из детально изученных и новых месторождений России и Китая и наноструктурированных алюмосиликатных минералов из месторождений России будут установлены термодинамические параметры их формирования, механизмы наноструктурирования, в том числе роста нанопленок графена на микроминеральных подложках в шунгитах. Для этого будут изучаться как природные образцы, так и продукты контролируемого термобарического воздействия на геологические образцы. Для достижения целей проекта будут использованы современные методы микроскопии высокого разрешения, спектроскопии, рентгеновской дифракции, высокочувствительного химического анализа. Научная новизна проекта заключается в комплексном атомарно-разрешающем изучении структуры и высоколокальных физических свойств, ставших доступными благодаря прогрессу методов исследования не так давно, в области фазовых границ наноструктурированных природных объектов с уникальными сорбционными и электрофизическими свойствами и их синтетических аналогов, а также с детальной характеристикой этого влияния на формирование упорядоченных наноразмерных субструктур в ходе процессов минералообразования и при их экспериментальном синтезе. Большие перспективы открываются в биотехнологии и биоанализе при раскрытии потенциала природного аморфного углерода в технологии получения нанозимов. Полученные данные позволят оптимизировать экспериментальный синтез природных материалов с функциональными свойствами для медицинских и технических применений. Решение поставленных задач будет способствовать как более глубокому пониманию механизмов превращения минеральных и органоминеральных веществ в природе, а также установление принципов формирования сорбционных, механических и электрофизических свойств минеральных нанокомпозитных материалов. Результаты исследования природных углеродных объектов и систем, созданных путем экспериментального моделирования минералогических процессов, позволят получить значимую информацию о процессах и условиях формирования залежей и проявлений углеродистого вещества, прежде всего тонкодисперсного и слабоупорядоченного, а также о преобразовании органического вещества в природе. Результаты проекта будут способствовать разработке научных основ природоподобной технологии получения графеновых пленок или частиц с заданной слоистостью и больших латеральных размеров с уникальными электрофизическими свойствами на основе природных углеродсодержащих материалов. В будущем могут быть разработаны научные основы технологии получения графеновых пленок, нанозимов или частиц с заданным слоем и большими боковыми размерами на основе природных углеродсодержащих материалов. Впервые на основе комплексного изучения уникальной коллекции Горного музея и природных образцов разного генезиса будет сформирована единая электронная база данных (ЭБД), содержащая основные морфометрические и физико-химические характеристики, свойственные природным соединениям определенных генетических типов месторождений и условий формирования. Накопление большого количества информации позволяет перейти к формированию автоматизированной экспертной системы, целью которой является подбор оптимальных физико-химических и термодинамических параметров, агента-кристаллизатора для достижения наиболее благоприятных условий синтеза природоподобных компонентов, веществ и материалов с заданными технологическими свойствами. Большое значение имеет методическая разработка применения математического аппарата для моделирования начальных условий формирования наноструктурированных минеральных агрегатов, их морфометрических и физико-химических характеристик для оптимизации синтеза природоподобных веществ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Котова О.Б., Ожогина Е.Г., Шиенг Сан, Размыслов И.Н. Technological mineralogy as the basis for the integrated development of raw material resources. Bauxites of the Verkhne-Shchugorskoe deposit GORNYI ZHURNAL, н. 11, с. 21-26. (год публикации - 2021)
10.17580/gzh.2021.11

2. Ибрагим Дж.Е, Котова О.Б., Шийонг Сан, Курович Э., Тинтин М., Гомзе Л. Preparation of innovative eco-efficient composite bricks based on zeolite-poor rock and Hen’s eggshell Journal of Building Engineering, V. 45 P. 103491 (год публикации - 2022)
10.1016/j.jobe.2021.103491

3. Голубев Е.А., Антонец И.В., Щеглов В.И., Сан Ш. Estimation of structural features and electrical properties of disordered carbon of shungite by microwave properties Abstracts of 3rd European Mineralogical Conference EMC 2020, стр. 161 (год публикации - 2021)

4. Бродская Р.Л., Шевченко С.С., Бильская И.В., Быкова Э.В., Кобзева Ю.В., Котова Е.Л., Ляхницкая В.Д. СТРОЕНИЕ МИНЕРАЛЬНОГО АГРЕГАТА И КИНЕТИКА ДИССИПАЦИИ ЭНЕРГИИ МАГМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Сборник материалов XIII Съезда Российского минералогического общества и Федоровской сессии, Том 2, с. 89 (год публикации - 2021)
10.30695/zrmo/2021.2.089

5. Игнатович А.С., Хисматуллин Р.Р., Зубакина М.А. Определение кинетических параметров извлечения рения анионитами из аммиачных растворов выщелачивания некондиционного сырья Естественные и технические науки, н. 8, с. 174-178 (год публикации - 2021)

6. Ли Л., Сан Ш., Лью Р., Голубев Е.А., Ванг К., Донг Ф., Дуан Т., Котова О.Б., Котова Е.Л. Construction of Fe-aminoclay-glucose Oxidase Nanocomposite Catalyst and Its Multi-enzyme Cascade Analysis Chemical Journal of Chinese Universities, Vol. 42. Is. 3. P. 803–810. (год публикации - 2021)
10.7503/cjcu20200635

7. Лью Р., Сан Ш., Ванг К., Голубев Е.А., Донг Ф., Котова О.Б., Котова Е.Л., Ни К., Тан Д. Bifunctional nanozyme of copper organophyllosilicate for the ultrasensitive detection of hydroquinone Analytical and Bioanalytical Chemistry, данные пока отсутствуют (год публикации - 2022)
10.1007/s00216-021-03728-3

8. Антонец И.В., Голубев Е.А., Щеглов В.И., Приходько А.С., Боргардт Н.И. Estimation of local conductivity of disordered carbon in a natural carbon-mineral composite using a model of intragranular currents Journal of Physics and Chemistry of Solids, V. 171, P. 110994 (год публикации - 2022)
10.1016/j.jpcs.2022.110994

9. Голубев Е.А., Антонец И.В. Electrophysical Properties and Structure of Natural Disordered sp2 Carbon Nanomaterials, V. 12(21). P. 3797. (год публикации - 2022)
10.3390/nano12213797

10. Антонец И.В., Голубев Е.А., Королев Р.И. Electrophysical parameters of shungite AIP Conference Proceedings, V. 2467, P. 020026 (год публикации - 2022)
10.1063/5.0092676

11. Котова О.Б., Устюгов В.А., Шийонг САН, Понарядов А.В. Получение муллита: фазовые трансформации каолинита, термодинамика процесса Записки горного института, Т. 254, С. 129-135. (год публикации - 2022)
10.31897/PMI.2022.43

12. Руи Лью, Шийонг САН, Ке Ванг, Голубев Е.А., Факин Донг, Котова О.Б., Котова Е.Л., Джин Лью, Мингкси Лью, Даойонг Тан Design and construction of copper-containing organophyllosilicates as laccase-mimicking nanozyme for efficient removal of phenolic pollutants Journal of Materials Science, V. 57. P. 10084–10099. (год публикации - 2022)
10.1007/s10853-022-07222-8

13. Антонец И.В., Голубев Е.А., Игнатьев Г.В., Щеглов В.И., Гомзе Л.А., Шийонг САН Influence of layers orientation of graphene stacks in shungite disordered carbon to its integral electrical conductivity Journal of Physics: Conference Series, V. 2315, P. 012039 (год публикации - 2022)
10.1088/1742-6596/2315/1/012039

14. Голубев Е.А., Шека Е.Ф. Особенности молекулярного характера колебательных спектров аморфного sp2 углерода: ИК поглощение и комбинационное рассеяние Сборник тезисов докладов 14-ой Международной конференцияи «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология», С.59-60. (год публикации - 2022)

15. Голубев Е.А., Антонец И.В., Королев Р.И. Высокочастотные электрофизические свойства природного разупорядоченного углерода Сборник тезисов докладов 14-ой Международной конференции «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология, С. 23. (год публикации - 2022)

16. Шийонг Сан, Менг Хе, Голубев Е.А., Факин Донг, Руи Лью, Котова Е.Л, Ке Ванг, Котов Л.Н., Котова О.Б.., Вей Жанг Effective removal of heavy metals from aqueous solution by activated shungite Abstracts of 23rd General Meeting of the International Mineralogical Association, 2022. Lyon, France, С.1466. (год публикации - 2022)

17. Шийонг Сан, Ян Лью, Голубев Е.А., Факин Донг, Ке Ванг, Котова Е.Л., Руи Лью, Котов Л.Н., Котова О.Б., Вей Жанг Construction of magnetic halloysite-PA-Fe3O4 nanocomposite for removal of radionuclides Abstracts of 23rd General Meeting of the International Mineralogical Association, 2022., C. 1470 (год публикации - 2022)

18. Шийонг Сан, Мингджу Жанг, Голубев Е.А., Факин Донг, Руи Лью, Котова Е.Л, Ке Ванг, Котов Л.Н., Котова О.Б.., Вей Жанг Synthesis of Cu2O/Cu-Shungite nanocomposite for removal of radioactive iodine ion Abstracts of 23rd General Meeting of the International Mineralogical Association, 2022. Lyon, France, С.1480 (год публикации - 2022)

19. Шийонг Сан, Менг Хе, Руи Лью, Ке Ванг, Голубев Е.А., Котова Е.Л., Факин донг, Котова О.Б., Ксиаонин Ни, Даоянг Тян Preparation of active shungite for removal of aqueous Cr(VI) Материалы российской конференции с международным участием Современные проблемы теоретической, экспериментальной и прикладной минералогии (Юшкинские чтения — 2022)., С. 197. (год публикации - 2022)

20. Котова О.Б., Шийонг Сун, Понарядов А.В., Размыслов И.Н. Advanced Bauxite Minerals with Improved Characteristics Abstract book of 15th International Congress For Applied Mineralogy, P. 149. (год публикации - 2023)

21. Голубев Е.А., Антонец И.В., Королев Р.И. Frequency and concentration dependences of the electrical properties of natural disordered carbon in the high-frequency region St. Petersburg Polytechnic University Journal. Physics and Mathematics, V. 16(1.1). P. 97–101. (год публикации - 2023)
10.18721/JPM.161.116

22. Королев Р.И., Антонец И.В., Голубев Е.А. Complex permittivity of graphene-containing shungite within 50 kHz – 15 MHz St. Petersburg Polytechnic University Journal. Physics and Mathematics, V. 16(1.1). P. 28–32. (год публикации - 2023)
10.18721/JPM.161.104

23. Ачимпонг Е.О., Ванг К., Лу Р., Линг С., Сун Ш., Голубев Е.А., Котова Е.Л., Котова О.Б. Montmorillonite-based photoresponsive microcapsules for efficient removal of chromium Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, V. 332. P. 3675–3686. (год публикации - 2023)
10.1007/s10967-023-09039-4

24. Голубев Е.А., Шека Е.Ф. Молекулярный подход к комбинационному рассеянию разупорядоченного sp2 углерода Тезисы докладов Российской конференции и школы молодых ученых по актуальным проблемам спектроскопии комбинационного рассеяния света, М. : Издательство "Перо", с. 35. (год публикации - 2023)
10.34077/SCATTERING95-35

25. Голубев Е.А., Антонец И.В., Королев Р.И. Температурно-частотные зависимости проводимости и импеданса разупорядоченного углерода шунгитов Физика твердого тела, N 12 (год публикации - 2023)

26. Понарядов А.В., Котова О.Б., Котова Е.Л. Ceramic nanocomposites: control of structural and PTX parameters of the synthesis of mullite from kaolinite using Taguchi experimental design Építőanyag – Journal of Silicate Based and Composite Materials, Vol. 75, No. 4, p. 148–153. (год публикации - 2023)
10.14382/epitoanyag-jsbcm.2023.21

27. Котова О.Б, Сун Ш., Размыслов И.Н., Симакова Ю.С. High-Iron Bauxites: Composition Features and Processing Technology (The Middle Timan) XIII General Meeting of the Russian Mineralogical Society and the Fedorov Session, Изд-во Springer, Cham, Switzerland, С. 473-483. (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-23390-6_60

28. Ке Ван, Шийонг Сун, Голубев Е.А., Сен Лин, Джин Лью, Фачин Донг, Котова Е.Л., Котова О.Б. Intrinsic peroxidase-like clay mineral nanozyme-triggered cascade bioplatform with enhanced catalytic performance Applied Clay Science, V. 246. P. 107196 (год публикации - 2023)
10.1016/j.clay.2023.107196

29. Голубев Е.А., Антонец И.В., Приходько А.С., Ш. Сун, Игнатьев Г.В. Carbon-mineral interaction in geological environment as a source of new functional carbon materials Abstract book of 15th International Congress for Applied Mineralogy, P. 100. (год публикации - 2023)

30. Тан Х., Жанг М., Ран Ф., Сун Ш., Голубев Е.А., Жао Х., Лин С., Дуан Т., Котова О.Б. Efficient immobilization of iodide from aqueous solution by Cu2O/Cu modified shungite Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, P. 1-12 (год публикации - 2023)
10.1007/s10967-023-09267-8

31. Голубев Е.А. , Антонец И.В., Королев Р.И., Приходько А.С. , Боргард Н.И. , Сунь Ш. Characterization of nanostructure of naturally occurring disordered sp2 carbon by impedance spectroscopy Materials Chemistry and Physics, V. 317. P. 129181. (год публикации - 2024)
10.1016/j.matchemphys.2024.129181

32. Понарядов А.В., Котова О.Б., Сан Ш., Котова Е.Л. Binary anorthite-cordierite ceramic composite from kaolin and dolomite rock with improved characteristics International Journal of Applied Ceramic Technology, P. 1-10 (год публикации - 2024)
10.1111/ijac.14826

33. Котова О.Б, Сан Шийонг, Котова Е.Л., Понарядов А.В., Бродская Р.Л. Aluminosilicates: interphase boundary interactions and nature engineering of nanostructures Journal of Physics: Conference Series, V. 2315, P. 012003. (год публикации - 2022)
10.1088/1742-6596/2315/1/012003

34. Голубев Е.А. Антонец И.В., Шийонг САН Электрофизические свойства и некоторые структурные особенности углерода на межфазной границе «разупорядоченный углерод-минерал» в природных (шунгиты) и синтезированных объектах Тезисы докладов XVIII Российского Совещания по экспериментальной минералогии, С. 25. (год публикации - 2022)

Публикации