Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Разработка фотоуправляемых полимерно-электролитных систем для хемотронных сенсоров становится важной на фоне растущей потребности в высокочувствительных и эффективных сенсорных технологиях. Проект фокусируется на исследовании физико-химических характеристик нового класса гибридных материалов, которые реагируют на изменения внешней среды. В этом контексте важно не только создание новых материалов/систем и методов эффективного взаимодействия с полиэлектролитами, но и разработка различных подходов, включая обработку информации на химическом уровне, анализа данных и управления свойствами через дизайн структуры или путем воздействия внешними стимулами. Знания в данной области играют ключевую роль в управлении нелинейным откликом сформированных гетероструктур и могут привести к созданию более совершенных сенсоров и новым технологиям. В 2024 году разработаны следующие направления: Был предложен подход использования искусственного интеллекта (ИИ) для прогнозирования фотокаталитических свойства графитового нитрида углерода (g-C3N4) в зависимости от параметров его синтеза с целью повышения эффективности фотокаталитического производства водорода. Создана база данных, включающая условия синтеза и физико-химические свойства g-C3N4, была оптимизирована для моделей машинного обучения с коэффициентом детерминации R2 выше 0,9. Разработано веб-приложение с открытым кодом на GitHub (https://github.com/ShockOfWave/photocatalysis), позволяющее прогнозировать выход водорода на основе параметров синтеза. Подход выявляет корреляцию между параметрами и свойствами вещества, минимизируя количество экспериментов и повышая точность результатов. Статья опубликована в журнале Q1 ( https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.07.245). Разработана система на основе полимерно-электролитного гидрогеля и сплава галлия-индия (eGaIn) для идентификации и прогнозирования концентрации бактерий, таких как E.coli, в диапазоне 10²–10⁹ КОЕ/мл со средней точностью 97% через многослойную модель перцептрона. Данная электрохимическая платформа позволяет высокочувствительно измерять электрохимическое поведение гидрогеля с бактериями, выявляя сигналы, указывающие на их количество. Установлено, что полиэлектролиты создают оптимальные условия для жизнедеятельности микроорганизмов и повышают чувствительность сенсоров за счет увеличения площади контакта. Статья опубликована в журнале Q1 ( https://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116377). Разработан метод термохимического получения g-C3N4 из супрамолекулярной сборки меламин-барбитурата (МБ) в качестве прекурсора при температуре 350 °C за 1 час в инертной среде. Рентгеновская дифракция подтвердила образование триазиновой структуры g-C3N4. Фотокаталитическая активность была оценена на реакциях деградации красителей, где образец продемонстрировал 54% разложения метиленового голубого и Родамина Б 40% под УФ-излучением в течение 1,5 часа. Новый метод синтеза предлагает эффективный подход к производству g-C3N4 с потенциалом для применения в фотокатализе и других областях. Статья подготовлена к отправке в журнал Q1. Установлена зависимость фототока от потенциала и облучения на фотоэлектроде g-C3N4, синтезированном тонким слоем на подложке FTO при 350 °C из смеси меламина барбитурата и мочевины в соотношениях 1:3, 1:1 и 3:1. Рентгеновская дифракция подтвердила образование кристаллической структуры g-C3N4. Для образцов с соотношениями 1:3 и 1:1 фототок оставался анодным при УФ-облучении (365 нм) и увеличивался с переходом к отрицательному потенциалу. В образце 3:1 наблюдалось переключение фототока с анодного на катодный в зависимости от приложенного потенциала при облучении, в частности изменение происходило при потенциале в диапазоне от 0,3 до -0, 3 В относительно электрода сравнения Ag/AgCl. Результаты демонстрируют возможность управления фотоактивностью g-C3N4 для создания переключателей и датчиков. Статья подготовлена к отправке в журнал Q1. Реализован подход химических микрореакторов и вычислительных устройств на основе химической реакции между меламином (M) и циануровой кислотой (ЦК) в ограниченном объеме. Реакция с образованием кристаллов цианурата меламина происходит в упорядоченных кластерах капель воды, которые левитируют над нагретой поверхностью. Этот метод может быть использован для дропл-логики, открывая возможности для создания адаптивных систем и интеллектуальных материалов. Такие материалы могут изменять свои свойства в зависимости от внешних условий, улучшая эффективность обработки информации. Статья опубликована в журнале Q1 (https://doi.org/10.1039/D4SC03066D). Разработан подход к получению трехмолекулярных сборок многослойной структур из производных меламин (М) и циануровой кислоты (ЦК) в водной среде. Синтезированы две структуры с использованием гексинил-циануровой кислоты и М или N-метилмеламина (ММ). Изменение молекулярных строительных блоков, происходящих из метиловых заместителей в меламине, повлияло на окончательные структуры, что было подтверждено методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), рентгеноструктурного анализа (РСА), также методом молекулярной динамики. Установлено, что высокоупорядоченные структуры могут быть созданы из простых строительных элементов, что открывает новые возможности в разработке адаптивных материалов. Статья опубликована в журнале Q1 (https://doi.org/10.1039/D4CC02817A). Разработано искусственное зрение (КЗ) для автономной лаборатории, целью которой является синтез и исследование новых гибридных материалов. Использован кобот ABB YuMi для получения мембран из оксида графена и полиэтиленимина, при этом КЗ определяет положение ротора центрифуги. Система компьютерного зрения идентифицирует маркировки для установки пробирок, а нейронная сеть обучается в RobotStudio Integrated Vision. Это важный шаг в автоматизации химических процессов, например получения g-C3N4, позволяющий контролировать и оптимизировать синтез с высокой повторяемостью. Статья опубликована в журнале (https://doi.org/10.1016/j.mencom.2024.10.001).

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках отчётного года в лаборатории были проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования, направленные на разработку методологии формирования сложной внутренней архитектуры гибридных композитов «полиэлектролит-полупроводник», а также на синтез соответствующих полупроводниковых материалов, предназначенных для их интеграции в эти системы и обеспечения управляемого отклика на внешние воздействия. В качестве теоретической основы проекта были разработаны подходы и расчётные модели прогнозирования свойств, создание которых было обусловлено необходимостью преодоления сложностей в описании межфазных процессов: перенос ионов/электронов, молекулярную/ионную адсорбцию/десорбцию и сложную реструктуризацию интерфейса, механизмы пространственно-временных переносов заряда. В этом ключе, были проведены исследования с использованием методом молекулярной динамики по проектированию полиэлектролитных систем с контролируемым высвобождением активных компонентов, основанный на моделировании взаимосвязанных процессов «высвобождение-адсорбция» на границе раздела фаз. В частности, данный подход был применен для исследования механизма работы pH-чувствительных микрокапсул, предназначенных для высвобождения ингибитора бензотриазола (БТА) на поверхность железа, путем стратегии межфазного комплексообразования и диффузионной сборки с использованием низкомолекулярного разветвлённого полиэтиленимина (рПЭИ) и высокомолекулярной полиакриловой кислотой (ПАК) для формирования динамичной взаимопроникающей полиэлектролитной сети на каркасы из полого мезопористого диоксида кремния (IV). Статья опубликована в журнале Materials Horizons Q1 (https://doi.org/10.1039/D5MH00679A ). Кроме того, был предложен метод оценки селективности и эффективности мембран, основанный на применении подходов квантовой химии. Методология включает исследование процесса сорбции катионов K+/Li+/Na+/Mg2+ на модельных мембранах, таких как MXene (миксен), гидроксипропилцеллюлозы (ГПЦ) и MXenes /ГПЦ, посредством выполнения расчетов изменения свободной энергии Гиббса (ΔG) в рамках теории функционала плотности и позволяет установить корреляцию между энергией взаимодействия иона с мембраной, его радиусом гидратации и транспортными характеристиками материала. Статья опубликована в журнале ACS Nano Q1 ( https://doi.org/10.1021/acsnano.5c08653 ). Расширяя область изучения интерфейсов, отдельным важным направлением стали исследования механизмов формирования проводящих и диэлектрических фаз на границе раздела «жидкий металл–электролит» на основе эвтектического сплава GaIn для разработки интерфейсов для мемристивных систем. В частности, на основе ранее полученных результатов работы ячейки eGaIn / CuNO3 (водный раствор) проведён анализ электрохимических стадий роста нерастворимой CuO плёнки, включая сопоставление поведения систем на нитрат‑ , сульфат‑и кобальтсодержащих электролитах, что позволило выделить нитрат меди как оптимальный электролит для устойчивой филаментной проводимости. Параллельно, в рамках экспериментальных разработок материалов, созданы потенциометрические ион-селективные электроды (ИСЭ) на основе углеродного волокна и нанопластин MXene (миксен) Ti3C2Tx, для обнаружения и установления концентрации ионов кальция в растворах. Методом травления MAX-фазы (Ti3AlC2) смесью плавиковой и хлороводородной кислот, получали многослойную структуру MXene (миксен) Ti3C2Tx, которую в дальнейшем разделяли на 2D монослои с помощью интеркаляции Li+ ионов. На его основе были получены и сопоставлены две основные конфигурации измерительных систем: 1) электроды из углеродного волокна, модифицированные полиэлектролитами ПЭИ/ПСС (Полистиролсульфоновая кислота, ПСС) продемонстрировали нернстовский наклон 29,8 ± 0,5 мВ·дек-1 и предел обнаружения ионов кальция 7,58⋅10-5М; 2) Печатные датчики, выполненные с применением проводящих чернил на основе MXene с пределом обнаружения Ca2+ 5,60⋅10-6 М в водных растворах и нернстовский наклон отклика −28,1 ± 0,5 мВ·дек-1. Полученные ионоселективные электроды продемонстрировали стабильный и селективный потенциометрический отклик на ионы Ca2+ в диапазоне концентраций 10-2–10-1 М с быстрым (200 с) установлением равновесия и высокой селективностью по отношению к мешающим ионам (K+, Na+, Mg2+). Ключевым результатом является полная независимость рабочего потенциала от условий освещения (комнатный свет, УФ, ИК) при многократных циклах переключения «свет–темнота», что обеспечивает надёжность детектирования Ca2+ в сложных средах с переменным световым воздействием. Статья опубликована в журнале Small Q1 ( https://doi.org/10.1002/smll.202510942 ). Также были проведены исследования, результатом которых явилась разработка энергоэффективного синтеза полупроводникового материала на основе g‑C3N4, в котором новые азотсодержащие прекурсоры позволяют целенаправленно регулировать структуру, морфологию и ширину запрещённой зоны. Кроме того, фотоактивность полученных тонких слоёв g‑C3N4 при локальном облучении (405 нм) была исследована методом сканирующей виброэлектродной техники (СВЭ/SVET), позволившим визуализировать пространственное распределение индуцированных фототоков. Образец показал высокую фотокаталитическую активность: разложение метиленового синего и родамина B под УФ/синим излучением (365/405 нм) за 1,5 ч составило 54% и 40% соответственно. Методом ЭПР подтверждено образование активных форм кислорода, ответственных за окисление красителей. Статья опубликована в журнале Carbon Trends Q2 ( https://doi.org/10.1016/j.cartre.2025.100522). Кроме того, были получены композитные материалы путем нанесения слоев графитоподобного нитрида углерода на FTO-подложки и на анодированные нанотрубки диоксида титана (TiO2). Установлено, что покрытия сохраняют n-тип проводимости, а плоский потенциал зависит от вариации состава прекурсора и особенностей формирования плёнки. В частности, в диапазоне потенциалов ±0,3 В фотоотклик существенно различается для разных типов подложек и составов g-C3N4. Для обеспечения высокой скорости исследований и масштабирования получаемых результатов,а была разработана и внедрена автономная роботизированная лаборатория. Данная платформа на базе робота KUKA KMR iiwa 14, работающего в коллаборации с оператором, предназначена для комплексного цикла работ – от синтеза и нанесения покрытий g‑C3N4 до их полной характеризации фотокаталитической активности с последующим применением методов машинного обучения для анализа полученных результатов для прогнозирования оптимальных параметров синтеза для синтеза высокоэффективных материалов.