Физико-химические процессы в сверхкритических флюидах и функционализация материалов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ЛАЗЕРНЫХ И ИНФОРМАЦИОННЫХ _ТЕХНОЛОГИЙ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

ПОПОВ ВЛАДИМИР КАРПОВИЧ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ФЛЮИДАХ И ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 02.00.04 — физическая химия

диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

2 8 НОЯ 2013

Москва 2013

005540245

005540245

Официальные оппоненты: Ишенко Анатолий Александрович, доктор

химических наук, профессор, МИТХТ имени М.В. Ломоносова, зав. кафедрой аналитической химии

Рябов Евгений Артурович, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБУН Институт спектроскопии РАН, зав. отделом лазерной спектроскопии

Зимняков Дмитрий Александрович, доктор физико-математических наук, профессор, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А., зав. кафедрой физики

Ведущая организация: ФГБУН Институт химической физики

им. H.H. Семенова РАН

Защита состоится_26 декабря 2013 г. в 15:00 ч_

(дата, время) ~

на заседании диссертационного совета Д 501.001.50 при МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, д. 1, стр. 3, Химический факультет, ауд. 446.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в научной библиотеке МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: г. Москва, Ломоносовский пр-т, д. 27.

Диссертация в виде научного доклада выложена в свободном доступе на сайте ВАК http://vak2.ed.gov.ru/.

Диссертация в виде научного доклада разослана_13 ноября 2013 г.

(дата)

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 501.001.50, кандидат химических наук Матушкина H.H.

Оглавление

Введение....................................................................................................................3

Основная часть.......................................................................................................9

Акустическая диагностика СКФ.......................................................................10

Оптоакустическая калориметрия и оптоакустика в СКФ...............................11

Времяпролетная акустическая диагностика фазового

поведения газов и жидкостей..............................................................................12

Акустическая спектроскопия СКФ.....................................................................18

Оптика и спектроскопия СКФ...........................................................................22

Рэлеевское рассеяние сред вблизи критической точки.................................22

Оптоволоконная рефлекгометрия для изучения СКФ...................................25

Спектроскопия комбинационного рассеяния света в СКФ...........................31

Диэлектрометрия в СКФ........................................................................................33

Получение тонких пленок металлов и полупроводников............................38

СКФ функционализация полимеров и нанопористых стекол....................44

СКФ синтез и функционализация новых материалов

для биомедицины и фармацевтики...................................................................54

Металл-полимерные нанокомпозигы для ортопедии.....................................55

Биоактивные полимерные композиты для имплантологии

и тканевой инженерии...........................................................................................58

СКФ микронизация и инкапсуляция лекарственных препаратов................62

Основные результаты и выводы........................................................................68

Заключение...............................................................................................................70

Используемые сокращения......................................................................................71

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации....................72

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Научно-технический прогресс последних десятилетий во многом обусловлен появлением большого количества новых материалов и эффективных технологий их обработки. Вместе с тем, ограниченность запасов традиционного органического топлива (уголь, нефть и газ), на фоне постоянно увеличивающегося энергопотребления, и угрожающее нарастание проблем загрязнения и разрушения окружающей среды, все чаще приводящих к масштабным экологическим катастрофам, в полный рост поставили задачу поиска новых энергосберегающих, безопасных и безотходных путей синтеза и функционали-зации перспективных материалов. Закономерным следствием этой стратегической тенденции развития цивилизации стало появление самостоятельного научно-промышленного направления — "Зеленая химия" (в англоязычной литературе — "Green Chemistry"). Одним из основополагающих принципов

"Зеленой химии" является замена токсичных органических растворителей практически во всех видах человеческой деятельности (от крупномасштабных химических производств, утилизации отравляющих веществ и токсичных отходов до бытовых услуг) на безопасные сверхкритические флюиды (СКФ) и ионные жидкости.

Уникальным образом, сочетая в себе свойства газов высокого давления (низкая вязкость, высокий коэффициент диффузии, отсутствие сил поверхностного натяжения) и жидкостей (высокая растворяющая способность), СКФ позволяют реализовать разнообразные процессы с существенно более высокой эффективностью по сравнению с обычными газами или жидкостями. Так, с помощью экологически чистой сверхкритической двуокиси углерода можно осуществлять глубокую очистку и модификацию поверхности и объема аморфных и частично-кристаллических полимеров, биоматериалов, микро- и нанопористых структур, а также проводить экстракцию из них или внедрение в них различных растворимых органических и неорганических соединений. Отличительной особенностью СКФ является возможность управления их растворяющей способностью простым изменением давления. Это дает дополнительные преимущества для решения задач повышения селективности и оптимизации различных физико-химических процессов с участием СКФ. Важно также, что СКФ легко и практически без остатка удаляются из обработанного материала простым сбросом давления ниже критического значения. Универсальность же методик и применяемого оборудования, а также их относительная дешевизна во многих случаях ставят СКФ технологии вне конкуренции.

Разработка новых методов изучения СКФ и протекающих с их участием физико-химических процессов, а также создание оборудования для их реализации являются актуальными задачами. В то же время, разработка и оптимизация СКФ процессов высокоэффективного синтеза и функциона-лизации принципиально новых материалов для широкого круга научно-технических приложений и их использования в инновационной экономике стали чрезвычайно важными направлениями современных прикладных исследований. Решению именно этих задач и посвящена настоящая диссертационная работа.

Цель работы состояла:

1. В разработке новых и усовершенствовании существовавших ранее методов изучения свойств и структуры СКФ, а также создания элементов диагностического оборудования, легко встраиваемых как в экспериментальные, так и в опытно-промышленные установки;

2. В исследовании механизмов и оптимизации физико-химических процессов, протекающих в многокомпонентных СКФ, с целью получения принципиально новых материалов и структур для электроники, фотоники, биомедицины и фармацевтики;

3. В разработке физико-химических основ эффективных, малоотходных и экологически безопасных технологий синтеза и функционализации перспективных материалов с помощью базовых СКФ процессов (экстракция, импрегнация, пластификация и др.).

Научная новизна

Предложены и развиты новые комплексные методики изучения суб- и сверхкритических сред, а также различных физико-химических процессов, происходящих с их участием, основанные на использовании акустических, оптических и диэлектрометрических методов исследования. Разработаны фундаментальные основы СКФ технологий синтеза и функционализации перспективных материалов для электроники, фотоники, биомедицины и фармацевтики.

Защищаемые положения:

1. Метод оптоакустической калориметрии позволяет непосредственно определять энергии диссоциации и энтальпии реакций замещения при фотохимических процессах, протекающих в газах и жидкостях высокого (до 20 МПа) давления и СКФ;

2. Метод, основанный на измерении скорости распространения и затухания звуковой волны (времяпролетная акустика — ВПА), позволяет определять критические параметры и исследовать фазовое поведение суб- и сверхкритических сред в широком диапазоне температур и давлений в реальном масштабе времени;

3. Метод диагностики сверхкритических флюидов, основанный на анализе спектра акустических гармоник резервуара высокого давления, содержащего исследуемую среду, позволяет проводить анализ агрессивных СКФ без их непосредственного контакта с акустическим излучателем и/или приемником;

4. Методики, основанные на ИК-Фурье и доплеровской спектроскопии, а также спектроскопии комбинационного рассеяния света позволяют проводить комплексные исследования оптических свойств и микроструктуры "свободных" и пространственно ограниченных (в том числе, находящихся в нанопорах) СКФ;

5. Метод оптоволоконной рефлектометрии, основанный на измерении показателя преломления СКФ при отражении излучения от торца оптического волокна, введенного в исследуемую область, дает возможность определять локальную плотность и изучать фазовое поведение суб- и сверхкритических одно- и многокомпонентных сред;

6. Метод, основанный на использовании радиочастотной диэлектрометрии, позволяет измерять растворимость полярных химических соединений и изучать поведение их дипольных моментов в СКФ при высоких (до 20 МПа) давлениях;

7. Методики, основанные на термоиндуцированной диссоциации элементоорганических соединений (ЭОС) растворенных в СКФ, позволяют проводить синтез нано- и микрочастиц, а также осаждение тонких пленок металлов и полупроводников;

8. СКФ импрегнация нанопористых стекол, аморфных и частично-кристаллических полимеров ЭОС с последующим восстановлением атомов металлов и СКФ экстракцией продуктов реакций, позволяет проводить направленную модификацию их оптических свойств, а также получать новые металл-полимерные нанокомпозиты с улучшенными физико-химическими трибологическими и биохимическими свойствами; '

9. Методика "сухого" (без использования органических растворителей) синтеза полимерных композитов с помощью сверхкритического диоксида углерода (ск-С02) позволяет получать биорезорбируемые микрочастицы однородно наполненные термолабильными и химически нестабильными биоактивными компонентами, а также матрицы для тканевой инженерии заданной пористости и формы, не содержащие токсичных примесей.

Практическое значение диссертации:

1. Разработаны новые и существенно усовершенствованы методы диагностики СКФ: оптоакустическая калориметрия, времяпролетная и спектральная акустика, оптическая и диэлектрометрическая спектроскопия а также оптоволоконная рефлектометрия. Создано соответствующее оборудование для их реализации. Эти методы с успехом используются в российских и зарубежных лабораториях для исследования суб- и сверхкритических сред а также физико-химических процессов, лежащих в основе многих сверхкритических флюидных технологий (экстракция, импрегнация, фракционирование набухание, пластификация полимеров и т.д.).

2. Разработан принципиально новый подход к формированию тонких пленок металлов и полупроводников группы АгаВу на основе растворимых в СКФ низкотоксичных и стабильных в атмосфере воздуха прекурсоров.

3. Предложена и реализована новая методология направленной модификации внутренней структуры и оптических свойств нанопористых стекол аморфных и частично-кристаллических полимеров для разработки на ее основе перспективных технологий создания элементов фотоники и сенсорики

4 Разработаны физико-химические основы СКФ технологий направленной модификации и функционализации аморфных и частично-кристаллических полимеров, а также синтеза металл-полимерных нанокомпозитов с улучшенными физико-химическими, трибологическими и биохимическими свойствами для снижения вероятности пост-операционных осложнений и увеличения срока службы эндопротезов на их основе.

5. Синтезированы новые минерал-полимерные биостабильные и биорезорбируемые композиты дня стоматологии и черепно-челюстно-лицевой хирургии успешно прошедшие доклинические и клинические испытания.

6. Предложены и разработаны принципиально новые методики "сухого" синтеза биоактивных минерал-полимерных матриц заданной архитектоники для тканевой инженерии, а также полимерных микрочастиц для лекарственных препаратов пролонгированного действия.

Личный вклад автора

В диссертации систематизированы работы автора, выполненные им в период с 1991 по 2012 гг. Его вклад состоит в постановке задач исследования, их обосновании (включающем анализ литературы, выбор подходов и методологии для их решения), разработке и создании аппаратуры, непосредственном проведении экспериментов, а также интерпретации полученных результатов. В исследованиях, выполненных в соавторстве с зарубежными коллегами, личный вклад автора заключался в постановке задач, разработке оборудования и проведении экспериментов, как в России, так и зарубежом (Великобритании, США и Японии). Представленный в диссертации материал основан на идеях автора и получен им лично или при его определяющем участии.

Апробация работы

Материалы диссертации неоднократно докладывались и обсуждались на семинарах, конференциях, совещаниях и симпозиумах в России и зарубежом, в том числе: на III, IV и VI Международных симпозиумах по сверхкритическим средам (Страсбург, Франция, 1994; Сендай, Япония, 1997; Версаль, Франция, 2003); Национальной конференции по сверхкритической химии (Ноттингем, Великобритания, 1996); III Всероссийской конференции "Структура и динамика молекулярных систем" (Москва, Россия, 1996); Международной конференции "Фундаментальные проблемы науки о полимерах" (Москва, Россия, 1997); III Всемирном конгрессе по медицинской физике (Ницца, Франция, 1997); XII Международной конференции по металлоорганической химии (Прага, Чехия, 1997); 5® Международной конференции по сверхкритическим средам и обработке материалов (Ницца, Франция, 1998); 14^, 15®, 1 б20 и 17^ Европейских конференциях по биоматериалам (Гаага, Нидерланды, 1998; Бордо, Франция, 1999; Лондон, Великобритания, 2001; Барселона, Испания, 2002); Ежегодных конгрессах Material Research Society (Бостон, США, 1998,2003); Всероссийской конференции "Поликонденсационные полимеры: синтез, структура, свойства" (Москва, Россия, 1999); б20 Международной конференции по сверхкритическим средам, химии и материалам (Ноттингем, Великобритания, 1999); 27ш Международном симпозиуме по контролируемому выходу биоактивных материалов (Бостон, США, 2000); VI, VII и VIII Российско-китайских симпозиумах "Новые материалы и технологии" (Пекин, КНР, 2001; Агой, Россия, 2003 ;Гуанджоу, КНР, 2005, Дзясин, КНР, 2009); 82м Международном симпозиуме "Химическая реакционноспособность и обработка материалов в сверхкритических средах" (Бордо, Франция, 2002); 4Ш Международном симпозиуме по химическим технологиям высокого давления (Венеция, Италия, 2002); 1 Зш Международном симпозиуме по новым оптическим стеклам (Пардубице, Чехия, 2002); IV Международной конференции "Полимерные композиты, покрытия, пленки" (Гомель, Беларусь, 2003); III Всероссийской Карпгаской конференции "Полимеры - 2004" (Москва, Россия, 2004, 2007); I Международной научно-практической конференции "Сверхкритические флюидные технологии: инновационный

потенциал России" (Ростов, Россия, 2004); III и IV Международных конференциях по обработке материалов "МР3" (Сингапур, 2004; Тцукуба, Япония, 2005); III Международной конференции "Болезни цивилизации в аспекте учения В.И. Вернадского" (Москва, Россия, 2005); I - IV Международных конференциях "Медицинская физика и инновации в медицине" (Троицк, Россия, 2006,2008, 2010, 2012); Всероссийских конференциях "Фундаментальные науки — медицине" (Москва, Россия, 2006,2007,2009); IV Всероссийской Каргинской конференции "Наука о полимерах 21-му веку" (Москва, Россия, 2007); X Международной конференции по проблемам растворимости и комплексо-образования в растворах (Суздаль, Россия, 2007); IV, V и VI Международных научно-практических конференциях "Сверхкритические флюиды: фундаментальные основы, технологии, инновации" (Казань, 2007; Суздаль, 2009; Листвянка, Россия, 2011); Международной конференции "Натуральные полимеры, биополимеры, биоматериалы и их композиты" (Керала, Индия, 2007); Международной конференции по молекулярным жидкостям "JMLG/EMLG 2007" (Фукуока, Япония, 2007); IX Форуме "Стоматология 2007" (Москва, Россия, 2007); б2* Международной конференции по фармпрепаратам и фармацевтическим технологиям (Барселона, Испания, 2008); Международном конгрессе по перспективным материалам и процессам "MSE 08" (Нюрнберг, Германия, 2008); Международной конференции "Инновационные технологии в науке, технике и образовании" (Таба, Египет, 2009);62й Международной конференции по наноструктурированным полимерам и нанокомпозитам (Мадрид, Испания, 2010); Всероссийской школе молодых учёных "Сверхкритические флюиды в решении экологических проблем" (Архангельск, Россия, 2010, 2012); III Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии "Медицинская физика-2010" (Москва, Россия, 2010); Международной конференции "Современные тенденции в науках о материалах" (Тируванантапурам, Индия, 2010); Всероссийской конференции "Нанотехнологии в онкологии" (Москва, Россия, 2010); VI Международном конгрессе "Биотехнология: состояние и перспективы развития" (Москва, Россия, 2011); 12т Международном симпозиуме по полимерным материалам (Бауреус, Германия, 2011); III Международном симпозиуме по перспективным материалам "KaSAM 2012" (Катманду, Непал, 2012); Международной химической ассамблее "ICA-2012. Зеленая химия", (Москва, Россия, 2012); I Междисциплинарном конгрессе по заболеваниям органов головы и шеи (Москва, Россия, 2013); 38ш Конгрессе Федерации европейских биохимических обществ "FEBS - 2013" (Санкт-Петербург, Россия, 2013).

Публикации. Материалы диссертации изложены в одной коллективной монографии, 88 научных статьях в журналах, включенных в Перечень ВАК, 5 патентах, 14 публикациях в других научных изданиях и тематических сборниках, а также в 98 тезисах докладов и трудах российских и международных конференций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Почти 200-летняя история изучения сверхкритических сред и критических явлений ведет свой отсчет от работы барона Шарля Каньяр де ла Тура (Cagniard de la Tour Ch. Exposé de quelques résultats obtenu par l'action combinée de la chaleur et de la compression sur certains liquides, tels que l'eau, l'alcool, l'éther sulfurique et l'essence de pétrole rectifiée //Annales de Chimie et de Physique. — 1822. —№21. — C. 127 - 132). Однако, несмотря на тысячи опубликованных работ и впечатляющие успехи, достигнутые за это время, многие проблемы по-прежнему остаются не решенными, а исследования в этой области не теряют свою актуальность.

В первую очередь это касается реальных (неидеальных) систем, находящихся под воздействием различных возмущений (гравитационные и электрические поля, влияние стенок, гидродинамические потоки и т.д.). Особенно следует отметить проблемы, связанные с исследованием веществ, находящихся в непосредственной близости к критической точке (А Г= IТ- 7^1 < 10-3) и представляющих собой большой интерес для фундаментальной науки. Здесь основную роль начинают играть флуктуации плотности и концентраций, рост которых происходит на фоне непрерывного увеличения восприимчивости систем к внешним воздействиям. В этой области наблюдается аномальное поведение практически всех термодинамических и транспортных свойств веществ (изохорная и изобарная теплоемкости, тепло- и температуропроводность, скорость звука, динамическая вязкость и т.д.). Происходит резкое возрастание изотермической сжимаемости, что при незначительном изменении давления приводит к существенным изменениям плотности суб- и сверхкритических сред и, как следствие, их растворяющей способности. Поэтому проведение экспериментов вблизи критической точки и интерпретация полученных результатов довольно часто сталкиваются с непреодолимыми трудностями.

В середине 70-х годов прошлого столетия стали быстро развиваться прикладные исследования, основанные на использовании СКФ для решения широчайшего спектра различных задач — от экстракции растительного и животного сырья, до синтеза полупроводниковых элементов и наноструктур. Эта тенденция, в частности, была обусловлена резко возросшей потребностью промышленно развитых стран в принципиально новых материалах и эффективных технологиях их получения и обработки. Результаты этих широкомасштабных исследований уже нашли свое применение в химической, пищевой, фармацевтической, нефтеперерабатывающей, электронной, биомедицинской и строительной отраслях. СКФ все активнее начинают применять для переработки и утилизации бытовых, особо токсичных и радиоактивных отходов (Hauthal W.H. Advances with supercritical fluids (review) //Chemosphere. —2001,—№43. —C. 123- 135).

Одни из важнейших этапов перехода от лабораторных исследований к разработке и внедрению в промышленность передовых СКФ технологий —

оптимизация и масштабирование базовых процессов, а также изготовление опытных образцов технологического оборудования. Без этого невозможно правильно сформулировать технико-экономическое обоснование того или иного проекта, основанное на детальной оценке всех видов затрат, необходимых для его реализации, и их сравнении со стоимостью уже существующих технологий. Для успешного прохождения этих этапов нужно иметь необходимый набор методик и устройств, позволяющих проводить как изучение фазового поведения и микроструктуры СКФ, так и анализ широкого спектра их физико-химических свойств, включая определение критических параметров (критической температуры 7^, давления Р^ и плотности Ркр) реакционных смесей. В свою очередь, для эффективной работы промышленного оборудования необходимо наличие специализированных контрольно-диагностических систем, предназначенных для решения тех или иных конкретных задач.

Все вышесказанное и послужило мотивацией для разработки новых и усовершенствования уже существовавших акустических, оптических и спектроскопических методов исследования и оптимизации различных физико-химических процессов происходящих в суб- и сверхкритических многокомпонентных системах. При изготовлении лабораторных образцов оборудования для реализации большинства из этих методик во главу угла ставились условия его компактности и надежности, а также простоты его интегрирования с уже существующими экспериментальными установками.

В процессе работы автором использованы практически все известные свойства СКФ. Принципиально важные из них: 1) растворяющая способность-

2) низкая вязкость и высокая диффузионная проницаемость СКФ растворов^

3) отсутствие сил поверхностного натяжения и 4) способность пластифицировать полимерные материалы при температурах, близких к комнатной.

АКУСТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА СКФ

Бурное развитие новых технологий с участием суб- и сверхкритических сред вызвало повышенный интерес к исследованию физики и химии различных веществ и их смесей вблизи критической точки (КТ). При переходе через КТ многие физико-химические характеристики среды (сжимаемость, теплоемкость, теплопроводность, растворяющая способность и др.) демонстрируют аномальное поведение. По мере приближения к КТ значительно возрастают флуктуации плотности в среде, что вызывает, в частности, явление критической опалесцен-ции. В связи с этим, особую значимость приобретают данные о фазовом поведении и критических параметрах реальных многокомпонентных систем.

Традиционно, для изучения фазового поведения веществ используются либо визуальные методы (например, определение положения межфазового мениска), либо методики, основанные на отборе различных фракций. При этом субъективность (и, как следствие, неточность измерений) — неотъемлемая характеристика первого подхода, а сложность, многостадийность и трудоемкость

характерны для второго. Методы изучения фазовых равновесий и определения критических параметров веществ, основанные на акустических измерениях, в принципе, позволяют избежать этих проблем. Кроме того, они дают возможность проводить исследования также и непрозрачных сред.

Важнейшей характеристикой для акустических исследований суб- и сверхкритических сред является их изотермическая сжимаемость, достигающая своего максимума в точке фазового перехода и напрямую связанная со скоростью распространения акустических колебаний в среде. Поэтому, проводя анализ зависимости скорости звука от температуры, давления и плотности, можно изучать как фазовое поведение, так и определять различные термодинамические характеристики одно- и многокомпонентных сред.

Оптоакусгическая калориметрия и оптоакустика в СКФ

Систематические исследования однокомпонентных суб- и сверхкритических сред акустическими методами начаты еще в 20-х годах прошлого столетия. Как правило, эти методы базировались на использовании объемных сферических резонаторов, обеспечивающих существование стоячей волны и чрезвычайно высокое отношение полезного сигнала к шуму. В то же время, размеры, инерционность и сложность конструкции этих систем не позволяли даже рассматривать возможность их использования в качестве рутинного инструмента измерения и контроля критических параметров реакционных сред в экспериментальных и тем более опытно-промышленных СКФ установках. Это стало для нас основной предпосылкой к разработке методики времяпро-летных акустических измерений в СКФ, а также созданию компактных датчиков и систем для их реализации.

Наши работы начались с развития метода оптоакустической калориметрии (OAK) лазерно-индуцированных химических реакций в газах и жидкостях, находящихся под высоким давлением. Суть OAK заключается в детектировании высокочастотным микрофоном (датчиком) акустической волны, инициированной выделением тепла в определенной области реакционной среды в результате поглощения энергии лазерного импульса УФ излучения наносекундной длительности и последующей химической реакции. Для проведения корректных измерений необходимо, чтобы время протекания фотохимической реакции было меньше характерного времени отклика используемого микрофона (как правило, менее 1 мкс). Тогда, зная объем вещества, поглощающего лазерное излучение, и проводя соответствующую калибровку с использованием раствора фотостабильного соединения (например, ферроцена—Fe(C3H5)2), имеющего такой же коэффициент поглощения излучения, как и у реакционной смеси, а также независимое измерение квантового выхода Ф фотохимической реакции, можно определять энтальпии Я этих реакций и энергии связей участвующих в них соединений, согласно уравнению:

АЯ=(£реф-£фот)/Ф, (1)

где £реф и £фот — энергии, выделившиеся при поглощении лазерного импульса в калибровочной и реакционной средах соответственно.

Для реализации этого подхода нами разработан типоряд кювет высокого давления (до 20 МПа) с различным расположением окон для ввода и вывода лазерного излучения, и высокочастотных (~ 1,0 МГц) пьезоэлектрических датчиков на основе PZT-керамики (PbZrTi).

Методом OAK с использованием ХеС1 эксимерного лазера (А. = 308 нм, тимп = 5 не) нами впервые измерены энтальпии реакций фотозамещения СО- групп карбонилов металлов VI группы—Сг(СО)6, Мо(СО)6, растворенных в и-гептане, на молекулярный водород или азот при давлении газов 13,0 МПа, составившие 84 ± 4 кДж/моль (Сг) и 87 ± 4 кДж/моль (Мо) для водорода, и 81 ± 4 кДж/моль (Сг) и 86 ± 4 кДж/моль (Мо) для азота соответственно. Также определены энтальпии реакций замещения карбонильных групп молекулами водорода и азота при давлении до 15 МПа в комплексах (г|б-С6Н6)Сг(СО)3, растворенных в «-гептане, составившие 91 ± 4 кДж/моль для Н2 и 85 ± 4 кДж/моль для N2 соответственно.

Времяпролетная акустическая диагностика фазового поведения газов и жидкостей

Суть метода ВПА заключается в изучении зависимости скорости распространения звука от температуры Т, давления Р и плотности г исследуемой среды. Известно, что изотермическая сжимаемость кт = ~(\IV)(dVldP)r, теплоемкости среды при постоянном давлении С,, = T(dS/dT)P и постоянном объеме Cv = 1{дБ/дТ)у, стремятся к бесконечности по мере приближения к критической точке. Однако Cv растет медленнее, чем С,,.

Скорость звука с0 в однокомпонентной (чистой) среде, в отсутствие поглощения и дисперсии, определяется выражением:

с0=У

N0,5

мс>

у У

(5Р

U т

1-

/г \

rdP/dv]2 дР/дТ ,

0,5

(2)

где М— молярная масса.

По мере приближения системы к критической точке (где по определению (8Р/дУ)т= 0 и ■— 0), член уравнения (2) в квадратных скобках может

быть приравнен к единице. Поэтому выражение для скорости звука в окрестности КТ для чистой среды стремится к характеристическому минимуму, определяемому выражением:

= У

\0,5

KMCV)

5Р дТ

(3)

Таким образом, анализируя поведение скорости звука при изменении параметров среды (Т., Р и р) и находя ее минимальное значение, можно определять положение критической точки для однокомпонентных сред.

В случае бинарных и/или многокомпонентных систем (при условии их монотонного движения к критической точке из однофазной области), изотермическая сжимаемость кт постоянно увеличиваясь, достигает своего локального максимума в КТ, соответствующего минимальному значению с0.

Эти принципы легли в основу разработки метода ВПА и оптимизации алгоритма поиска положения и определения критических параметров одно- и многокомпонентных газов и жидкостей. Причем, если 1фитические параметры многих чистых веществ уже давно являются табличными данными, то данные о КТ конкретных смесей различных газов и жидкостей по-прежнему представляют весьма значимый научно-практический интерес.

Развитие идеи использования миниатюрных пьезокерамических детекторов (диски толщиной 0,5 — 1,0 мм и диаметром 3-5 мм) для изучения различных физико-химических процессов в газах и жидкостях при высоких давлениях привело нас к разработке и созданию универсальной системы (рис.1), позволявшей одновременно проводить эксперименты с помощью методов ОАК, ИК-Фурье спектроскопии и ВПА.

В реальном эксперименте оказалось гораздо удобнее и проще измерять не абсолютное значение скорости звука в исследуемой среде, а величину временной задержки А? (обратно пропорциональной с0) детектирования Р/Т-приемником акустического сигнала, инициируемого либо импульсом лазерного излучения наносекундной длительности, либо импульсным радиочастотным генератором с помощью аналогичного Р7Т-излучателя.

Рис. 1. Схема системы для исследования сред высокого давления методами ОАК, ИК-Фурье спектроскопии и ВПА: 1 — кювета высокого давления; 2 — PZT-датчики; 3 — измерители энергии лазерных импульсов; 4 — полупрозрачные (диэлектрические) зеркала; 5 — алюминиевые зеркала; б— цифровой осциллограф; 7— компьютер.

Важно также учитывать, что в реальной системе, по мере приближения к критической области, начинает нарастать затухание акустического сигнала, вследствие увеличивающихся флуктуаций плотности среды (обусловливающих, в частности, явление критической опалесценции). Это принципиально ограничивает точность измерения критических параметров в силу невозможности, начиная с определенного момента, уверенного выделения полезного сигнала из шумов (даже на больших временах его накопления).

Тем не менее, как показали многочисленные эксперименты, как с изученными, так и ранее не исследовавшимися системами, с помощью развитого нами метода ВПА можно с достаточно высокой точностью (ДГ± 0,1 °С и АР ± 0,05 МПа) определять критические параметры различных одно- и многокомпонентных газов, жидкостей и их смесей.

На рис.2 представлены результаты ВПА анализа смесей C2H6/N2 при различных соотношениях концентраций исходных компонентов. Добавление незначительного количества азота, имеющего существенно более низкую V-147,1 °С), чем С2Н6, приводит к существенным изменениям критических параметров смеси (снижению Т^ и увеличению Р ).

Результаты чисто акустического (с использованием только генератора импульсов длительностью 0,5 мкс и частотой повторения 1 кГц) анализа смесей С02/Н2 при различных соотношениях концентраций углекислого газа и водорода показаны на рис.3. Полученные нами данные о критических параметрах для чистых газов (С2Н6 и С02) находятся в хорошем согласии с их справочными значениями — 7" == 32,4 °С, Р^ = 4,87 МПа для С2Н6 и Г == 31,1 °С, Р^ 7,37 МПа для С02 (Reíd R.C., Prausnitz J.M., Poling В.Е. The Properties of Gases and Liquids. 4¡b ed. — New York: McGraw-Hill. — 1987. — 741 p.).

Критическая температура H2 (7^ = -240,1 °C) существенно ниже, чем у азота, а значит и критические параметры водородсодержащих смесей более

Рис.2. Зависимость скорости звука с0 в смеси С2Н6/М2 от давления (а) и температуры (б): 1 — чистый С2Н6; 2 — 2,5-10"2 моль 3 — 8,5-10~2 моль N3.

Давление, МПа Тештепатуга. °С

Рис.3. Зависимость времени задержки акустического сигнала Ы в смеси С02/Н2 от давления (а) и температуры (б): 1 — чистый С02; 2 — 1,0-10"2 моль Н2; 3— 1.8 10 2 моль Н2.

чувствительны (по сравнению с азотсодержащими) даже к незначительным добавкам Н2. Учитывая, что спектроскопическое детектирование, как азота, так и водорода (а также гелия) в таких низких концентрациях является довольно проблематичным, развитые нами методы обладают большим потенциалом для количественного определения концентраций этих газов в СКФ смесях.

Методом ВПА изучено фазовое поведения хладагента К134а(СР3СН2Р), а также его бинарных смесей с С02 и С2Н6. Интерес к этим системам обусловлен двумя причинами. Во-первых, вследствие незначительных различий плотностей сосуществующих фаз ("газ - жидкость") у хладагентов, положение мениска на границе раздела фаз, его смещение и исчезновение, по мере приближения к КТ, визуально практически неразличимы. Поэтому визуальные методы определения критических параметров этих сред обладают большой погрешностью. Во-вторых, было важно оценить возможность использования СР3СН2Р в качестве модификатора (усилителя) растворяющей способности ск-С02 и этана, и иметь представление о максимально возможных (с точки зрения допустимых изменений критических параметров рабочих смесей) концентрациях хладагента.

Учитывая практическую направленность этих работ, нами разработана компактная ВПА система на основе стандартного 1/4 дюймового Х-разветвителя трактов высокого давления (1/4,"8\уа§е1ок 400-4") для определения критических параметров (7^ и Ркр) и изучения фазового поведения смесей различных газов и жидкостей.

На рис.4 представлены результаты ВПА анализа чистого (99,98 %) тетрафторэтана и его смеси с С02 при различных температурах. Критические параметры, полученные для чистого тетрафторэтана Т = 374,15 ±0,1 К и Ркр = 4,08 ± 0,03 МПа, находятся в хорошем соответствии с их литературными значениями. Что же касается его смесей с диоксидом углерода, то на некоторых

Рис.4.

3,5 4,0 4,5

Давление, МПа

- «в

!

6,0

7,0 8,0 Давление, МПа

9,0

10,0

Зависимость временной задержки детектирования акустического сигнала в чистом СР3СН2Р (а) и его смеси с 0,88 моль С02 (б) при разных температурах. Стрелками отмечены двойные максимумы, обнаруженные при 310,55 и 313,65 К.

субкритических изотермах нами обнаружены два локальных максимума (рис.4, б), соответствующих: 1) давлению образования микропузырьков (лапласово давление) — максимум при высоком давлении; и 2) давлению конденсации (dew pressure) — максимум при меньшем давлении.

На рис.5 представлены зависимости проекций критических кривых на фазовые плоскости смесей С02 + R134а и С2Н6 + R134а от температуры, давления и концентрации. Анализ Р-х проекции (рис.5, al) показывает, что максимум давления достигается вблизи мольной концентрации С02, равной 0,88, в то время как Т - х проекция (рис.5, all) демонстрирует небольшое положительное отклонение от идеальной траектории.

В экспериментах не было отмечено никаких признаков несмешиваемости жидких фаз компонентов при температурах выше 253 К. Их смеси с мольной

,0 324 344 364

8 7 6 5

Зб„ 324 344 364 4 Г, К

340 320

а

360 •

^340 ■ S-

320 ■

3001-*-.-.-

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 х(СО,), моль

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 jt(C2H6), моль

Рис.5. Фазовые диаграммы смесей: С02 + R134а (а) и С2Н6 + R134а (б).

долей хладагента до 0,1 имеют критические параметры близкие к чистому диоксиду углерода, что делает возможным получение однофазной гомогенной среды с повышенной растворяющей способностью.

Проекции критических кривых на фазовые плоскости для смесей С2Н6 + R134a демонстрируют ряд отличий от случая С02 + R134a. Наиболее заметные из них: наличие минимума давления на Р - Т проекции (рис.5, 6111) при температуре около 310 К (соответствующего мольной доле С2Нб = 0,85 (рис.5,61)), атакже максимума давления для мольной доли С2Н6 = 0,46. К тому же Т-х проекция этой системы (рис.5,611) проявляет отрицательное отклонение от идеальной траектории. Кроме того, хотя и принято считать, что смеси алканов с фторуглеродными соединениями являются несмешиваемыми в жидких фазах в силу большой величины энергии Гибса, в нашем случае никакой несмешиваемости типа "жидкость-жидкость" в изученном диапазоне отмечено не было.

В идеале, модификатор растворяющей способности не должен заметно изменять критические параметры исходного растворителя. Как и для С02, Р-х проекция критической кривой для С2Н6 + R134a демонстрирует вполне приемлемые, с этой точки зрения, значения критических параметров при мольных долях хладагента до значения 0,1. Полученные результаты позволили сделать вывод о возможности применения тетрафторэтана для повышения эффективности процессов СКФ экстракции и хроматографии полярных соединений при использования ск-С02.

Разработанный нами метод ВПА и компактные экспериментальные системы для его реализации заложили основу нового подхода к исследованиям фазового поведения и определению критических параметров целого ряда бинарных, тройных и даже четырехкомпонентных смесей различных газов и жидкостей (СО + С2Н4, СО + СН3СНСН2, С02 + CH2F2, С02 + CHF3, С02 + N(C2H5)3, С2Н6 + CHF3, С2Н4 + СН3СНСН2, CH2F2 + CF3CH2F, СО2 + CH2F2 + CF3CH2F, СО + С2Н4 + СН3СНСН2, С02 + С2Н6 + CHF3), проводимых и по сей день в лабораториях Великобритании, США, Португалии и Германии.

Универсальность метода ВПА, его преимущества по сравнению с традиционными методами изучения газов и жидкостей при высоких давлениях, простота конструкции, доступность и небольшие размеры акустических ячеек (порядка 5x5x5 см3), позволяют легко интегрировать "on-line" разработанные нами системы, как в экспериментальное, так и в опытно-промышленное СКФ оборудование.

Развитие этого подхода привело к разработке и созданию автоматизированного многофункционального комплекса аппаратуры для изучения фазового поведения суб- и сверхкритических сред. Он объединил в себе целый ряд современных диагностических методик, основанных на анализе оптических и акустических свойств изучаемых соединений и их смесей, а также использовании пьезоэлектрических сенсоров сдвиговых деформаций. Акустические характеристики газов и жидкостей изучались с помощью ВПА.

Наличие в кювете высокого давления четырех сапфировых окон позволяло проводить визуальное наблюдение происходящих в ней процессов, а также использовать предложенный и разработанный нами новый оптический метод определения положения КТ, основанный на изменении интенсивности отраженного лазерного излучения (по мере приближения системы к КТ) от границы раздела "сапфир/изучаемая среда", обусловленного явлением критической опалесценции. Изучение зависимости величины акустического импеданса кварцевого кристалла (сенсор сдвиговых деформаций) от температуры, давления и плотности среды, в которой он находится, позволяло изучать фазовое поведение различных газов и жидкостей. С помощью этого комплекса проведены прецизионные измерения критических параметров и определены границы раздела фаз одно-и многокомпонентных сред (С02, СН3ОН, С2Нб) с точностью автоматического поддержания и регулировки давления и температуры ± 7,0 кПа и ± 0,2 мК в диапазоне от 0,1 до 30 МПа и от 293 до 393 К соответственно.

Акустическая спектроскопия СКФ

Методы акустической диагностики СКФ, как правило, основаны на измерении скорости распространения и затухания акустического сигнала при его прохождении через исследуемую среду. При этом источник и приемник акустических импульсов располагаются непосредственно в среде на определенном расстоянии друг от друга. Очевидно, что такой подход трудно реализуем в агрессивных средах и системах, находящихся при высоких температурах, например, в сверхкритической воде — СКВ (Т = 374,2 °С и Лф = 21,4 МПа). Кроме того, корректные измерения в непосредственной близости к КТ затрудняет сильное ослабление акустической волны. Поэтому актуальной оказалась разработка метода, в котором акустические датчики не соприкасаются непосредственно с СКФ. В основу этой идеи нами положен принцип измерений акустического импеданса источника, нагруженного на исследуемую среду через тонкую стенку реактора (Asaki Т., Thomas J. Ultrasonically determined fill pressure and density in closed spherical shells // Fusion technology. — 1999, —V. 35.—№2, —P. 126-130.). Однако, при увеличении толщины стенки (необходимой для повышения давления) чувствительность этих измерений оказалась довольно низкой.

Нами предложен и реализован новый подход к исследованию акустических свойств веществ вблизи КТ. Его суть заключается в том, что корпус реактора высокого давления используется в качестве акустического резонатора, анализ спектра возбуждения которого, производится с помощью специальной программы. Собственные колебания такого резонатора теряют энергию, вследствие ее излучения в среду, и вязких сил, действующих на его поверхность. Амплитуды определенных типов колебаний, возбуждаемых внешней силой, зависят от этих потерь, а, следовательно, и от параметров находящейся в нем среды.

Если длина волны акустических колебаний X « I (линейные размеры резонатора), то интенсивность излучаемого в среду акустического сигнала может быть оценена как, / = ра>1, где р—плотность среды, с—скорость звука в среде, у„—скорость нормальных колебаний поверхности резонатора. В то же время, мощность вязких сил (определяющая диссипацию энергии продольных мод) на единицу площади поверхности равна:

где (Л — сдвиговая вязкость среды, со — частота колебаний, а V, — скорость продольных колебаний поверхности резонатора. То есть, определенные моды резонатора, возбуждаемые внешним источником ультразвуковых колебаний, имеют амплшуды, зависимые от акустических потерь в среде, и, следовательно, являются чувствительными к изменениям ее температуры, давления и плотности. При этом не требуется введение внутрь реактора каких-либо датчиков, что, в принципе, позволяет измерять плотность и изучать фазовое поведение агрессивных сред, ограничиваясь только химической стойкостью материала самого реактора.

Для реализации этой схемы измерений пьезоэлектрический излучатель на основе РгТ-керамики, размещенный на внешней стенке реактора, возбуждался программируемой последовательностью радиочастотных колебаний (100 — 200 кГц) от СВЧ генератора с помощью цифро-аналогового преобразователя. В свою очередь, аналого-цифровой преобразователь регистрировал амплитуду отклика внешнего пьезокерамического приемника, а также значения давления и температуры внутри реактора.

Алгоритм измерений заключался в циклическом повторении медленного нагрева и охлаждения реактора при постепенном увеличении (или понижении) давления среды. При этом проводили синхронное сканирование частоты возбуждения Р2Т-излучателя и анализ амплитуды отклика Р2Т-детектора. Полученные результаты обрабатывали специальной программой и представляли в виде спектральных зависимостей амплитуд выделенных мод акустических колебаний от давления и температуры исследуемой среды.

Последовательность^ - Г проекции изохор, соответствующих различным Р - Т траекториям, пройденным системой, заполненной чистым диоксидом углерода, при цикличном сканировании температуры от 29 до 35 °С и пошаговом увеличении (с шагом 0,1 МПа) давления от 7,2 до 7,6 МПа, продемонстрировала четко выраженный максимум для Т = 31,2 °С и Р = 7,4 МПа, соответствующий критической точке С02. Полученные результаты подтвердили применимость предложенного и разработанного нами "неинва-зивного" (без размещения излучателя и приемника акустических волн внутри реакционного объема) подхода для изучения фазового поведения и

(4)

определению критических параметров различных газов и жидкостей, включая сверхкритическую воду и другие агрессивные среды.

Дальнейшее развитие этих работ было направлено на повышение чувствительности и точности нашей аппаратуры на основе U-образного вибрационного денситометра.

Метод измерения плотностей различных веществ на основе анализа собственных колебаний U-образного капилляра известен на протяжении последних 15 лет. Сегодня уже имеются коммерческие варианты таких вибрационных денситометров ("DMA HP", Anton Paar, Австрия), предназначенных для измерений плотностей жидкостей и газов в диапазоне температур от-10 до 200 °С. Разработка аналогичных устройств для температур 250 °С и выше до наших работ не имела особого успеха, что было обусловлено применением для возбуждения и детектирования колебаний капилляра электромагнитного или пьезоэлектрического эффектов, ограничивавших температуру измерений. Другие варианты систем "возбуждения - детектирования", например, на основе лазерного доплеровского виброметра или высокотемпературного постоянного магнита (Aida Т. et.al. Laser-Doppler vibrating tube densimeter for measurements at high temperatures and pressures // Rev. Sei. Instrum.—2007.—V. 78.—№ П.—P. 115 lll;HynekV. et.al. A vibrating tube flow densitometer for measurements with corrosive solutions at temperatures up to 723 К and pressures up to 40 MPa // Int. J. Thermophysics. — 1997. — V. 18. — № 3. — P. 719 - 732), не получили дальнейшего развития из-за высокой сложности и дороговизны конструкций.

Схема предложенной и разработанной нами экспериментальной установки по измерению плотностей СКФ с использованием вибрационного измерителя плотности (ВИП) основана на U-образным капилляре из сплава INCONELL, к которому припаяна стальная игла (рис.6). Вынесенный за пределы термостата (в котором размещен U-образный капилляр) датчик перемещений, регистрирующий колебания иглы, а также блок электроники и пьезокерамический излучатель замкнуты в цепь положительной обратной связи. Сигнал датчика подается на усилитель и далее на пьезокерамический излучатель, передающий колебания по "телу" термостата U-образному капилляру.

Полоса возбуждаемых частот и коэффициент усиления выбираются так, что в системе происходит самовозбуждение колебаний капилляра на собственной частоте/ Усиленный сигнал с датчика подается на звуковую карту компьютера, а специальная программа определяет частоту регистрируемого сигнала с точностью ± 0,002 Гц за время 0,8 с.

Плотность заполняющего капилляр вещества р связана с частотой / соотношением р = A((f0/J)2 -1 ), где коэффициент А и частота колебаний пустого капилляра Уо величины, зависящие от характеристик капилляра (его массы, геометрических размеров, модуля упругости), а также от температуры и практически не зависящие от давления.

ЧїБ

12

10

1

15

Рис.6. Схема ВИП: І — баллон с газом; 2 — вентиль; 3 — пресс; 4 — кювета с раствором; 5 — манометр; б — термостат; 7 — и-образный капилляр; 8 — термопара; 9— нагревательные картриджи; 10 — термоконтроллер; 11 — игла; 12 — пьезокерамический диск; 13 — датчик перемещений; 14 — блок электроники; 15 — компьютер.

После прогрева системы до требуемой температуры (< 400 °С) и ее стабилизации ВИП калибровался с использованием толуола, плотность которого хорошо известна в широком диапазоне давлений и температур. Плотность изучаемого вещества р вычислялась как:

тае/о — частота колебаний пустого капилляра,/} — частота его колебаний с толуолом, ар, — плотность толуола при заданных условиях.

В стационарных условиях долговременная стабильность частоты ВИП была на уровне шумов и составляла ± 2-10~3 Гц, что соответствовало точности относительного измерения плотности ± 410-4 г/см3. Точность измерения абсолютного значения плотности определялась, в основном, качеством калибровки (чистотой капилляра при измерении/,, чистотой толуола и отсутствием микропузырьков при измерении/,) и составляла ± 3 • 10"3 г/см3.

На рис.7, а показаны результаты калибровочных измерений зависимости плотности воды от давления при 593,613 и 633 К, атакже изотермы, рассчитанные для тех же температур с помощью программы Ш8Т (Режим доступа: http://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/). А на рис.7, б приведены результаты измерения плотности смеси "метанол + вода" при этих температурах и мольной доле СН3ОН = 0,3 с использованием разработанного нами ВИП.

Многократные эксперименты, проведенные при различных условиях, продемонстрировали высокую воспроизводимость полученных данных,

Р = Рі((Ш2-1)/((/0//1)2-1),

(5)

Рис.7. Зависимость плотности Н20 (о) и смеси СН3ОН + Н20 (б) от давления при высоких температурах.

свидетельствующую о применимости нашего ВИП дня определения плотностей и исследования фазового поведения химически агрессивных и водосодержащих СКФ.

ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ СКФ

Оптические методы — очень эффективные и удобные инструменты исследования свойств СКФ вблизи КТ, поскольку переход молекул из связанного состояния в свободное (распад кластерной структуры) и обратно отчетливо проявляется в изменении их оптических характеристик. Изучение светорассеяния позволило установить универсальный закон поведения флуктуаций среды (Гинзбург В.Л., Голдберг У.И. Рассеяние света вблизи точек фазовых переходов. - М.: Наука. — 1990. — 414 е.). Методами интерферометрии исследовано аномальное поведение коэффициента преломления вблизи КТ (Pepin С., Bose Т.К. Evidence for an intrinsic refractive-index anomaly in a critical binary liquid mixture // Phys. Rev. Lett. — 1988. — V. 60. —№ 24. — P. 2507 - 2510.). Однако эти работы, на момент начала наших исследований, носили скорее разрозненный, чем систематический характер. Кроме того, много вопросов вызывало поведение диэлектрической проницаемости среды s в окрестности КТ.

Рэлеевское рассеяние сред вблизи критической точки

Для фазовых переходов 2-го рода радиус корреляции Е, пространственных флуктуаций параметра порядка (р в случае перехода через КТ) неограниченно возрастает: = ^0tv (где v « 0,63 — критический показатель, « 1 А а т = (Г—

7;ф)'Ткр приведенная температура), что проявляется, в частности, в критической опалесценции. При этом интенсивность рассеяния света пропорциональна квадрату флуктуаций диэлектрической проницаемости:

/~ <(As)2> = (де/др)2 <(Др)2>. (6)

Ширина же спектра Рэлеевской компоненты рассеянного излучения Г определяется скоростью релаксации параметра порядка и определяется выражением Г = D(Qq2, где D(Q — коэффициент диффузии, а q — волновой вектор рассеяния. При этом ширину линии Г разделяют на две компоненты — фоновую Гф и сингулярную Гс (Г = Гф + Гс).

В литературе подробно исследовано поведение ширины спектра рассеяния в среде. Закон изменения Гс установлен с высокой точностью для большого количества сред, в том числе и бинарных. В то же время, недостаточно хорошо изучено поведение Гс и интенсивности рассеянного излучения /в двухфазной области (исследования, как правило, проводили в однофазной области). Так же мало изучены закономерности поведения мощности рассеянного излучения. В отличие от Гс, зависящей только от длины корреляции коэффициент рассеяния зависит, как от Е,, так и от оптических свойств среды (<5в/<5р), что может дать свои поправки для коэффициента рассеяния ц ~ |2 (при (qQ2« 1).

Эксперименты по исследованию свойств релеевского рассеяния света молекулами С02 вблизи KT проводили с помощью термостабилизированной (± 5 мК) оптической кюветы с двумя кварцевыми окнами. Контроль и изменение температуры (с шагом 10 мК) — с использованием прецизионного термостата на основе кварцевого резонатора с электронной обратной связью. Абсолютные значения температуры и давления измеряли с точностью ± 0,05 К и ± 0,025 МПа соответственно. После установления давления в системе все дальнейшие измерения проводили в изохорическом режиме.

В экспериментах были исследованы амплитудно-частотные характеристики обратно рассеянного излучения с использованием лазерного доплеровского измерителя скорости (ЛДИС) на основе высокостабильного кольцевого Nd3+: YAG чип-лазера с диодной накачкой (Гордиенко В.М. и др. Дистанционный доплеровский измеритель скорости на основе чип-лазера на YAG:Nd3+ и его применение для изучения лазерно-индуцированных гидродинамических явлений // Квантовая электроника. — 1998. — Т. 25. —№ 9. — С. 849 - 852). Излучение лазера фокусировали внутри кюветы с С02. ЛДИС регистрировал обратно рассеянное излучение, которое подавалось на аналоговый спектро-анализатор, усреднявший регистрируемые спектры гетеродинного сигнала (исходная частота 72 МГц). Полученные спектры имели характерную Лоренцеву форму (А =А0/(1 + (2/Г)2)).

Значение спектра в нулевых частотах в диапазоне 1 кГц приравнивали к значению спектра вблизи паразитной компоненты (шириной 1кГц). Затем для полученного усредненного спектра с помощью преобразования Фурье находили корреляционную функцию рассеянного излучения. Далее методом наименьших квадратов находили время корреляции т, связанное с шириной Лоренцевого спектра, как Г = 1/4ят. Мощность рассеянного излучения для гетеродинного доплеровского измерителя пропорциональна мощности гетеродинного сигнала, которую определяли по площади спектра. Прошедшее

через кювету излучение Не-Ые лазера (к = 0,63 мкм), совмещенное с излучением N<1:УАО лазера (А. = 1,06 мкм), регистрировали фотоприемником. Излучение на длине волны 1,06 мкм при этом блокировали фильтром. Это позволяло сопоставлять данные, получаемые на различных длинах волн, используя разные схемы измерений.

На рис.8 представлены зависимости мощности и ширины спектра рассеянного излучения от температуры С02. Видно, что вблизи КТ амплитуда обратно рассеянного излучения заметно уменьшается, что связано с ослаблением мощности зондирующего (А. = 1,06 мкм) излучения при распространении в среде с увеличивающимися флуктуациями плотности. На рис.8, б приведена зависимость интегральной мощности рассеянного излучения Не-Ие лазера, полученная при измерении мощности УУпр прошедшего через кювету излучения (¡У =№0 - Жпр). Видна сильная асимметрия полученных зависимостей для обеих длин волн. Причем для Не-ТЧе лазера в двухфазной области получено отличное от нуля значение вдали от КТ. Это связано с тем, что кривая характеризует потери, которые определяются, как рассеянием, так и отражением от стенок кюветы. Таким образом, ненулевой уровень потерь связан с асимметрией коэффициента преломления в двухфазной и однофазной областях.

С помощью этой методики проведены сравнительные исследования оптических свойств С02 вблизи КТ в свободном объеме и нанопористых материалах: в аэрогеле (размер пор ~ 8 нм) и нанопористом стекле Уусог (размер пор ~ 4 нм). Зарегистрировано существенное уменьшение мощности (в 50-200 раз) и сужение (до 5 раз) ширины спектра рассеянного излучения в нанопористых системах по сравнению с аналогичными параметрами для свободного объема. При этом спад мощности рассеяния при удалении от критической точки С02 в нанопорах происходит более резко по сравнению со свободным объемом. Зави-

IV отн. ед.

10

ю3

ю2 300

200

100

о

а \

в К

-200

-100

О

- т

100

200

мК

Рис.8.

Зависимости мощности рассеянного назад на длине волны 1,06 мкм (а) и интегральной мощности рассеянного излучения на длине волны 0,63 мкм (б), атакже ширины спектра рассеянного излучения от температуры С02 (в).

симости мощности и ширины спектра от AT — Т- Т^ для диоксида углерода, находящегося в нанопористом материале, уже не подчинялись универсальному закону, характерному для критической динамики в свободном объеме (где JVp ~ Е,2, а Г ~ 1/Q. Для случая рассеяния в нанопористом материале наблюдалось сужение спектра с одновременным уменьшением мощности рассеяния, что не может быть объяснено только изменением амплитуды флуктуаций. Этот эффект обусловлен формированием слоя молекул С02, сорбированных на внутренних стенках пор, что приводит к уменьшению эффективного объема рассеяния. Кроме того, столь малая мощность рассеянного излучения из нанопористого материала вблизи КТ объяснялась еще и тем, что длина корреляции флуктуаций параметра порядка (плотности р) С02, локализованного в нанопорах, существенно меньше (за счет малых размеров пор), чем в свободном объеме, а также и тем, что эффективный объем занимаемый С02, в пределах каустики зондирующего луча, уменьшался (для аэрогеля на 5 %, а для Vycor на 70 %) за счет наличия твердой матрицы.

В пределах погрешности определения максимума сигнала рассеяния, в экспериментах не наблюдалось смещения положения КТ и "замороженного" состояния в нанопорах, проявляющееся в виде сильного рассеяния при температурах ниже критической. Это объясняется тем, что обычно параметры КТ внутри нанопористой системы определяют по излому зависимости амплитуды рассеяния света от температуры при прямом детектировании без анализа спектра флуктуаций. В наших же экспериментах изучался спектр рассеянного сигнала, т.е. та часть рассеяния, которая формируется на динамических флуктуациях, приводящих к формированию уширенного спектра гетеродинного сигнала. Поэтому нами не регистрировался сигнал от неподвижных частей объекта, т.е. от стенок пор и от "замороженных" участков С02, находящихся на и вблизи их поверхности.

Оптоволоконная рефлектометриядля изучения СКФ

Показатель преломления п — одна из важнейших характеристик среды, содержащей информацию о ее плотности. Определение величины п и анализ его изменений в процессе физико-химических трансформаций широко применяют сегодня для исследования фазового состояния и кривых сосуществования в многокомпонентных смесях, для исследования диффузионных процессов, процессов тепломассопереноса и изучения поведения сред, находящихся вблизи КТ. Как правило, эти измерения проводят с использованием лазерных интерферометров, либо с применением оптической голографии. Кроме того, известны и методики, основанные на определении смещения лазерного пучка при прохождении кюветы со средой (Kirby C.F., McHugh М.А. Simple method for measuring refractive index of supercritical fluids // Rev. Sci. Instrum. — 1997. — V. 68. —№ 8. —P. 3150.) или изменения длины оптического пути фемтосекундного лазерного импульса (Schuurmans F. J.P. et. al. Local-field effects

on spontaneous emission in a dense supercritical gas // Phys. Rev. Lett. — 1998. — V. 80. № 23. — P. 5077 - 5080.). Эти методы позволяют с достаточно высокой точностью (до 10"5) определять показатель преломления среды. Однако они достаточно сложны и дороги для рутинного контроля реальных технологических процессов.

При изучении Рэлеевского рассеяния среды вблизи KT нами показано, что одновременное измерение мощности падающего и отраженного излучений может позволить определить и абсолютное значение показателя преломления. На основе полученных данных нами предложен и разработан новый метод измерения показателя преломления п и плотности р газовых, жидких и сверхкритических сред по отражению оптического излучения от границы раздела "кварц - среда" на базе оптоволоконного датчика, легко интегрируемого практически с любым реактором высокого давления.

Метод основан на классическом измерении амплитуды отраженного излучения от плоской границы. Зная коэффициент отражения R, можно определить коэффициент преломления п из формулы Френеля. В свою очередь, плотность среды р может быть рассчитана по известному п из формулы Лорентц — Лоренца:

где /V— количество компонентов в смеси, А, — параметр, определяющий вклад данной компоненты смеси в коэффициент преломления. Для большинства сред параметр А практически не зависит от температуры и плотности.

Для простой и эффективной реализации этого подхода нами предложено использовать одномодовые кварцевые волокна, которые легко могут быть введены практически в любую зону реакторов высокого давления, используя стандартные уплотнители и фитинги для высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ).

В результате многочисленных исследований и анализа различных экспериментальных конструкций нами разработан и создан базовый образец оптоволоконного рефлектометра (ОВР), схема которого представлена на рис.9. В качестве источника излучения используется лазерный светодиод 1 (длина волны Х= 1,3 мкм). Его излучение, модулируемое прямоугольными импульсами с частотой 2 кГц, заводится в одномодовое оптоволокно с Х-разветвителем 4, разделяющее его на два канала — зондирующий и опорный. Зондирующий канал заканчивается волоконным коннектором 5, к которому подсоединяется волокно, введенное непосредственно в реактор с исследуемой средой. Опорный канал сопряжен с опорным фотоприемником 5, который регистрирует мощность излучения светодиода.

Отраженное от торца зондирующего волокна излучение поступает через Х-разветвитель 4 на сигнальный фотоприемник 2. После усиления сигналы £/5

/=1

N

Рис.9. Схема ОВР: 1 — лазерный светодиод; 2, 3 — фотоприемники; 4 — волоконный Х-разветвитель; 5 — волоконный коннектор.

и иг с обоих фотодетекторов подаются на звуковую карту. Специально разработанное программное обеспечение регистрирует и обрабатывает эти сигналы с целью компенсации флуктуации излучения светодиода. Система позволяет также анализировать и изучать нестационарные процессы, происходящие в исследуемой среде, с временным разрешением порядка 0,5 мс.

ОВР может измерять абсолютное значение показателя преломления п с точностью ~ 0,0015, а также относительное изменение п с погрешностью ± 0,0001 с высоким временным (~ 20 мс) и пространственным (~ 10 мкм) разрешением. Он позволяет одновременно использовать несколько оптоволоконных зондов, размещенных в разных зонах реактора, получая информацию о распределении плотности среды и ее временной эволюции по всему исследуемому объему.

Основным достоинством этой методики измерения я по сравнению с другими интерференционными методами и схемами является простота ее реализации и использования для анализа различных процессов с участием СКФ. Сегодня уже существует несколько приборных реализаций ОВР, которые с успехом используются в ряде российских и зарубежных лабораторий для систематического исследования суб- и сверхкритических сред, а также физико-химических процессов, лежащих в основе различных СКФ технологий.

Для изучения зависимости результатов определения п с помощью ОВР от типа и конструкции камер высокого давления проведены эксперименты как на статических, так и на проточных (в том числе и капиллярных) СКФ реакторах с различными веществами (С02, СНГ, и др.). Полученные температурные зависимости амплитуд нормированных сигналов оптоволоконных датчиков продемонстрировали хорошую воспроизводимость и соответствие данных, полученных на различных установках в широком диапазоне температур и давлений.

Для многих практических приложений принципиально важной является возможность определения величины и характера поведения плотности

многокомпонентных (ЛГ > 1) сред. При этом формула Лорентц — Лоренца (7) уже не позволяет проводить точного расчета плотности, поскольку не известны параметры определяющие соотношения компонентов среды. Однако такая среда может характеризоваться некоторой эффективной плотностью:

„2

Р =

1 П-1

<А>п2 +2

(8)

1 А

где < А>=— У А,.

Учитывая то, что коэффициенты А) для разных веществ совпадают по порядку величины, можно считать, что величина ошибки 5р/р « 1. Кроме того, за счет эффекта усреднения, точность будет тем выше, чем больше компонентов в смеси. Даже в случае двухкомпонентной смеси с сильно отличающимися коэффициентами А2/А, = 0,5 и плотностями исходных компонент, находящимися в пропорции р2/р, = 0,5, точность 5р/р будет составлять величину ~ 11 %, что вполне достаточно для определения состояния многокомпонентной среды и наблюдения затем, в какой фазе она находится.

На рис. 10 показаны результаты сравнительного исследования смесей 0)^12 + С02 и С7Н16 + С02 с использованием ОВР и методом визуального определения положения мениска.щели монохроматора, что позволило Одним

Одним из важнейших свойств СКФ для широкого круга практических применений является их практически неограниченная смешиваемость с

2,0 4,0 6,0 8,0 Ю.О Давление, МПа

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 Давление, МНа

Рис.10. Зависимости нормированного сигнала ОВР (7) и объема жидкой фазы (2) смеси С6Н12 + С02 (а) и С7Н16 + С02 (б) от давления СО,: 1 — значения, полученные с использованием датчика ОВР, расположенного в жидкой фазе смеси; 2 — значения, полученные методом визуального определения положения мениска.

Рис. 11. Зависимость нормированного сигнала ОВР для смеси С6Н12 + С02 при общем давлении 10,0 МПа от температуры для трех разных мольных долей С6Н12: а — 0,039; б — 0,051; в — 0,063.

На рис. 11 приведены зависимости сигнала ОВР для смеси С6Н12 + С02 от температуры для разных мольных долей С6Н12. Для всех концентраций величина сигнала II увеличивается с температурой, отражая уменьшение плотности смеси. Для мольной доли 0,039 это происходит монотонно во всем диапазоне изменения температуры (рис. 11, а).

При увеличении концентрации С6Н12 наступает разделение фаз, проявляющееся в виде образования жидкой фазы на торце волокна и уменьшения амплитуды детектируемого сигнала. Причем для мольной доли С6Н12 = 0,051, устойчиво фиксируется, как точка конденсации, так и точка начала испарения, то есть наблюдаются два последовательных фазовых перехода (рис. 11, б), в то время как для мольной доли 0,063 — только один (рис. 11, в).

Аналогичные результаты получены нами для и смеси С02 + метанол. Как показал проведенный анализ, среднее значение абсолютного отклонения значений давления разделения фаз, полученных с помощью ОВР, от литературных данных составило 0,8 %.

С помощью двухканального ОВР изучено фазовое поведение бинарных смесей С02 с полярными (метанол) и неполярными (и-пентан) органическими растворителями, а также с ацетофеноном в различных установках высокого

29

давления (оптические кюветы с изменяемым объемом, стационарные, проточные и капиллярные реакторы с катализатором). Для исследования смеси С02 + метанол в объеме порошкового катализатора ("атЬегПя!-15") в проточном СКФ-реакторе (что, в принципе, невозможно сделать, используя традиционные методы) торцы двух зондов были размещены непосредственно в толще катализатора. Зонд № 1 находился в верхней части вертикально расположенного реактора, а зонд № 2 — в нижней.

Изучение фазового поведения смеси СЮ2 с ацетофеноном проводили в капиллярном проточном реакторе, представлявшем собой стандартный капилляр для ВЭЖХ из нержавеющей стали длиной два метра, диаметром 1/16 дюйма и помещенный в термостат. Оптоволоконный зонд вводили непосредственно в капилляр через Т-образный разветвитель.

На рис. 12 показаны кривые сосуществования фаз смеси С02 + ацетофенон с тремя разными весовыми долями последнего, полученные независимо с помощью ОВР и с помощью визуального определения положения мениска в оптической кювете с изменяемым объемом. Важно отметить, что в случае визуального наблюдения, не удавалось поднять температуру системы выше 150 °С.

В тоже время, использование капиллярного реактора в сочетании с ОВР позволяло проводить измерения вплоть до 30 МПа и 300 °С. Более того, метод ОВР позволял построить полную кривую сосуществования системы всего за несколько часов в отличие от измерений с помощью оптической кюветы, где за это же время можно было получить всего два-три значения, поскольку много времени уходило на установление термодинамического равновесия в ее объеме.

30

20

К 10

О 100 200 300

Температура, °С

Рис.12. Р - Г фазовые диаграммы смесей С02 + ацетофенон: 1 — 7,5 вес. %; 2 — 21,2 вес. %; 3 — 34,1 вес. %), полученные с помощью ОВР (черные значки) и оптической кюветы (прозрачные значки).

Спектроскопия комбинационного рассеяния света в СКФ

Спектроскопия спонтанного комбинационного рассеяния (КР) активно применяется в исследованиях СКФ и различных процессов с их участием на протяжении последних тридцати лет. Изучение спектральных характеристик комбинационно-активных линий позволяет сопоставить интенсивность, уширение и сдвиг резонансов, соответствующих различным колебательным модам, и сделать определенные выводы об их взаимосвязи с термодинамическими параметрами и уровнем флуктуаций плотности среды в окрестности КТ. Однако, в силу малых сечений спонтанного КР, его сигнал приходится накапливать в течение долгого времени (вплоть до нескольких суток), что сильно осложняет и часто делает просто невозможным анализ динамики физико-химических процессов в СКФ. Особенно остро эта проблема стоит при изучении трансформации колебательных спектров молекулярных соединений, растворенных в СКФ. Поэтому решение задачи увеличения чувствительности аппаратуры КР для повышения эффективности проведения экспериментов в газах и жидкостях высокого давления представляла для нас большой интерес.

В традиционных схемах эта проблема частично решается за счет использования сложных и дорогостоящих оптических систем сбора сигнала КР, проходящего через толстое окно из области исследуемой среды на входную щель монохроматора. Нами предложена и реализована оригинальная методика спектроскопии КР, основанная на использовании в качестве СКФ реактора, отрезка стандартного кварцевого капилляра для ВЭЖХ с наружным диаметром 1/16 дюйма и внутренним диаметром 1/128 - 1/64 дюйма. Ключевой идеей нашего подхода стало размещение капилляра непосредственно на входной щели монохроматора, что позволило одновременно отказаться от использования "собирающей оптики" и свести к минимуму потери полезного КР сигнала из изучаемой области. Второй основополагающей идеей было использование оптоволоконных световодов для ввода лазерного излучения в исследуемую среду и его вывода из кюветы. Это позволило обеспечить равномерное распределение возбуждающего КР излучения по объему кюветы и заметно (в 10-50 раз) уменьшить его интенсивность. При этом повысив безопасность проведения экспериментов в средах высокого давления за счет радикального уменьшения объема реакционной зоны.

В абсорбционной ИК спектроскопии смесей с С02 при высоком давлении, диапазон частот 550 - 750 см"1 перекрывается сильной полосой деформационных колебаний диоксида углерода v2 с центром 667 см-1. Поэтому ИК спектроскопические исследования в этой области могут проводиться только методом КР. В то же время, коэффициент поглощения излучения в диапазоне < 1000 см-1 у наиболее распространенных ИК материалов окон (в частности, CaF2) для реакционных кювет начинает резко возрастать. Поэтому наше решение проблем спектроскопии КР в этой области обладает неоспоримыми преимуществами.

Одним из важнейших свойств СКФ для широкого круга практических применений является их практически неограниченная смешиваемость с различными газами. Благодаря этому возможен синтез соединений, получение которых сильно затруднено, а иногда и просто невозможно, при использовании традиционных схем и методов. В то же время, ИК спектроскопия, активно используемая для изучения и мониторинга многих типов химических реакций, практически бесполезна в случае участия в этих реакциях водорода или азота, поскольку в колебательных спектрах этих молекул отсутствуют ИК активные моды.

На рис.13 приведены спектры КР Н2, N2, СО и их смесей с ск-С02, полученные с помощью капиллярной кюветы. Видно, что растворение этих газов в ск-С02 приводит к существенному (несколько см"1) сдвигу их колебательных полос в низкочастотную область. А в случае водорода, еще и к заметному (почти 4 см"1) уширению его колебательной полосы.

При этом вращательные полосы Н2 (имеющие сложную форму с пиком Гауссовой и крыльями Лорентцовой формы) испытывают еще большее уширение (до 25 см1), обусловленное специфическим взаимодействием

2130

2135 2140 2145 Частота, см '

2150

Рис. 13. Спектры КР Н2 (а), N2 (б) и СО (в), а также их смесей с ск-С02 при 33 °С и 18,0 МПа. Мольные отношения: а — Н2/С02 =

г —С0/С02= 1:3,2.

540 580 620

Частота, см-1

Рис.14. Зависимость ширины вращательной линии водорода при 33 °С от давления в чистом газе (/ — 9,0 МПа) и смеси с С02 в мольном отношении Н2/С02 = 1:4,8 (2 — 6,0 МПа; 3—16,5 МПа).

молекул Н2 с кластерной структурой диоксида углерода при переходе от чистого газа к его раствору в ск-С02 (рис.14).

Диэлектрометрия в СКФ

Изучение равновесной растворимости веществ в суб- и сверхкритических флюидах представляет собой большой интерес, как с точки зрения новых знаний о механизмах взаимодействия растворителей с растворяемыми субстанциями и о фазовом поведении их смесей, так и для целого ряда практических применений базовых процессов СКФ технологий (экстракция, импрегнация, формирование микрочастиц, тонких пленок и др.). Известно множество разнообразных методик определения растворимости (ИК, УФ-ВИД и ЯМР спектроскопия, жидкостная и СКФ хроматография) полярных и неполярных соединений в различных средах. Тем не менее, диэлектрометрия занимает в этом ряду свое особое место.

В отличие от спектроскопии или хроматографии, диэлектрометрия — надежный, простой и недорогой метод изучения электронной структуры молекул, их сольватационного и межмолекулярного взаимодействия в обычных органических растворителях, а также определения диэлектрических констант в СКФ. Кроме того, дипольные моменты молекул чувствительны к процессам комплексообразования. Изучение их поведения дает возможность получить информацию о характере и механизмах их взаимодействия с СКФ. В дополнение ко всему, диэлектрометрия может быть использована в качестве аналитического инструмента измерения концентрации полярных соединений, а, следовательно, и метода изучения их растворимости в СКФ. Дополнительным преимуществом этой методики, по отношению к различным вариантам оптических методов, является принципиальная возможность ее использования в мутных и непрозрачных средах.

Нами разработаны методики диэлектрических измерений равновесной растворимости и изучения поведения дипольных моментов различных органических и металлорганических соединений (МОС) в суб- и сверхкритическом диоксиде углерода, а также создано компактное и простое в использовании оборудование для проведения этих экспериментов. В качестве модельных соединений были выбраны: ацетонитрил (МеСЫ), ацетон (Ме2СО), цимантрен (СрМп(СО)з) и гидрат гексафторацетилацетоната меди (Си(ЪГас)2 Н20).

Основным элементом нашей установки была кювета высокого давления из нержавеющей стали с двумя кварцевыми окнами и встроенным диэлектрическим сенсором, представляющим собой цилиндрический конденсатор емкостью 17 пФ, образованный двумя коаксиальными цилиндрами из нержавеющей фольги длиной 50 мм. Он являлся компонентом колебательного контура, возбуждаемого на частоте 1 МГц от радиочастотного генератора. Изменения диэлектрической постоянной Ае среды в кювете приводили к изменению емкости конденсатора и сдвигу резонансной частоты контура регистрируемой цифровым частотомером. Погрешность измерений Де (определяемая, главным образом, колебаниями температуры исследуемой среды в кювете) в наших экспериментах составляла ± 0,0025. Предварительная калибровка всей системы проводилась с использованием чистых (99,5 - 99,8 %) жидкостей (бензол, п-гексан, четыреххлористый углерод) и газов (~М2 и С02) с известными диэлектрическими характеристиками в диапазоне давлений от 1 до 15 МПа.

На рис.15 приведены кривые зависимости еотРв смеси МеСК[/С02 для различных концентраций ацетонитрила. При низком давлении (< 5 МПа) они практически совпадают с кривыми для чистого диоксида углерода. Это значит, что в указанных условиях растворимость ацетонитрила в С02 пренебрежимо мала. Расхождение кривых становится заметным по мере приближения к Р , в области которого и происходит резкое увеличение растворимости МеСМ. При

Е

1,8 1,6 1,4 1,2 1,0

4 6 8 10 12 14 16 Давление, МПа

Рис. 15. Зависимость £ смеси МеСЫ/С02 от давления при 40 °С: I — чистый С02; 2 — С02 с 0,083; 3 — С02 с 0,148; 4 — 0,261 г ацетонитрила в кювете объемом 12,5 см3.

дальнейшем увеличении Р, начиная с определенного значения (в зависимости от исходной навески ацетонитрила £в), кривые е(Р) идут практически параллельно кривой для чистого С02. Полная растворимость ацетонитрила при давлении диоксида углерода 15 МПа подтверждалась линейной зависимостью Ае от £в, где Ав — разность диэлектрических постоянных смеси МеСЖЮ2 и чистого С02 при Р = 15 МПа.

Вычисление дипольных моментов р растворяемых в СКФ веществ проводилось в рамках Дебаевской модели. При этом, если Св и Сскф—значения концентраций растворяемого вещества В и растворителя СКФ, то поляризуемость единицы объема раствора (выражаемую через функцию Дебая /о = (е - 1У(е + 2)) можно записать как:

/о = ^ВОЖФ+ЛЖФОЖЧ» (9)

где Рв и Рскф — молекулярные поляризуемости вещества и растворителя соответственно.

Для каждой порции растворенного вещества разность Д/л = /р - (где, /о н /й0 соответствуют раствору и чистому СКФ) при заданном давлении можно представить как:

Второй член в выражении (10) отражает изменение концентрации растворителя, вызванное растворением исследуемого вещества. Его корректное определение возможно только в случае, когда плотность раствора известна. Однако, даже в отсутствие этих данных, определенные оценки этого изменения могут быть сделаны с помощью упрощенной модели, основанной на предположении, что определенная часть объема, первоначально занятая растворителем, в итоге оказалась занятой растворенным веществом: Сскф = Сскф - Свг, где г соответствует числу молекул СКФ, замещенных одной молекулой вещества.

Полагая, что г равно отношению мольных объемов вещества и СКФ (г = Ув/УСкфХ мы принимаем, что г=М^МСКФ, где Мв и МСКФ—молекулярные массы вещества и СКФ. На самом деле, отношение молярных объемов и молекулярных весов часто бывают довольно близки по своим значениям. Используя значения молярных объемов для ацетонитрила (52,8 л/моль) и ацетона (74,1 л/моль), рассчитанные на основе значений плотностей этих жидкостей при нормальных условиях, можно наблюдать довольно хорошее согласие между отношениями Мв/мскф (равном 0,93 для ацетонитрила и 1,32 для ацетона) и ^в! V:кф (равном 0,89 для ацетонитрила и 1,26 для ацетона соответственно).

Вообще говоря, это допущение является довольно грубым. Тем не менее, второй член в уравнении (10), как правило, мал для сильно полярных (ц > ЗБ) и небольших молекул. Для ацетонитрила он составляет~ 4 % от величины первого члена и значит, для таких соединений возможная ошибка за счет сделанного предположения является пренебрежимо малой. Тогда:

(10)

А/о = СВ(РВ + РСКФ(МВ/МСКФ)) (11)

и мы можем определить значение Рв для любого раствора в СКФ по формуле:

Рв = А/д/Св + РСКФ(МВ/МСКФ) (12)

и рассчитать дипольный момент рв как:

цв = 0,01283[(Рв-Лв)7]-1/2, (13)

где Лв — молярная рефракция вещества, а Т— температура.

В таблице 1 суммированы данные о диэлектрических характеристиках веществ, растворимость которых в ск-С02 изучена нами с помощью методики и оборудования, описанного выше. Величины Рв и цв рассчитаны из значения в для чистого С02 при 15 МПа и 40 °С (условия, при которых происходило полное растворение исследуемых веществ). Для сравнения, в этой же таблице приведены литературные данные для этих соединений в газовой фазе и обычных органических растворителях (бензол и циклогексан).

Таблица 1. Диэлектрические характеристики веществ, растворенных в ск-С02, газах и органических растворителях (ОР).

Вещество мВ/мскф Рв, см3 Яв, см3 Дипольный момент Ив, D

ск-С02 Газ* ] ОР*

MeCN 0,93 280 ± 20 11 3,7 ± 0,2 3,9 - 4,0 3,4 - 3,6

Ме2СО 1,32 170 ± 10 16 2,8 dt 0,2 2,8 - 2,9 2,7 - 2,9

СрМп(СО)3 4,32 340 ± 50 48 3,9 ± 0,5 — 3,3

Cu(hfa)2H20 11,3 350 ± 30 57 3,9 ± 0,3 — 1,5**;

1,8***

* — Осипов O.A., Минкин В.И., Гарновский А.Д. Справочник по дипольным моментам. Изд. 3-е. — М.: Высшая школа. — 1971. — 416 с.

** — Стабников П.А. и др. Дипольный момент безводного соединения в бензоле // Изв. СО Акад. Наук СССР. Сер. Хим. — 1982. — № 14. — С. 75 - 83.

*** — Дипольный момент гидрата гексафторацетилацетоната меди в бензоле (наша работа).

Из таблицы 1 видно, что дипольные моменты ацетонитрила и ацетона в ск-С02 очень близки к их литературным значениям для газовой фазы и немного выше, чем в органических растворителях. Это свидетельствует о том, что в этих условиях диоксид углерода ведет себя как обычная жидкость, не образуя с этими веществами устойчивых комплексов с переносом зарядов.

Дипольный момент цимантрена в ск-С02 (в пределах погрешности измерений) также соответствует его значениям при растворении в бензоле и циклогексане. В то же время, значение ц = 3,90 для Си(ЬГас)2-Н20 в ск-С02 существенно отличается от величины дипольного момента его безводного раствора в бензоле.

Для того чтобы выяснить связано ли это отличие с присутствием воды в гидрате этого соединения, нами была определена величина ц в бензоле при 25 °С используя уравнения (12) и (13). При этом дипольный момент гидрата

(ц = 1,8D) оказался близок к величине ц = 1,5D для его безводного раствора. Следовательно, сильная полярность молекулы Cu(hfac)2-H20 в СКФ растворе, по всей видимости, связана с ее специфическим взаимодействием (возможно с переносом заряда) с молекулами диоксида углерода.

Диэлектрометрия также может быть использована для определения равновесной растворимости полярных соединений в СКФ. Для этого достаточно построить зависимость г от Р для случая неполного растворения в среде исследуемого вещества (наличие двухфазной системы). Тогда равновесная концентрация растворяемого вещества СВ(Р) в СКФ:

Св(Р)=А/в(Р)/аГАг(Р)/ае, (14)

где а.у и ае — мольные инкременты функций fD и s соответственно, определяемые тангенсами зависимостей AfD от Св и As от Св в условиях его полной растворимости.

Для заданной навески вещества gB в определенном объеме растворителя ^скф эт0 условие может быть записано в виде:

A/D(P)/af = Ae(P)/as < gB/MB VB. (15)

В таблице 2 суммированы данные по растворимости исследованных соединений в С02 в диапазоне давлений 5-15 МПа, полученные интерполяцией экспериментальных значений Ае(Р). Эти соединения, имеющие значительные величины дипольных моментов, довольно хорошо растворимы в неполярном ск-С02, что очевидно является отражением их диполь-квадрупольного взаимодействия с молекулами диоксида углерода.

Для Cu(hfac)2-H20, еще в работе (M'Hamdi R. et.al. Solubility and decomposition studies on metal chelates in supercritical fluids for ceramic precursor powders synthesis // J. Supercrit. Fluids. — 1992. —№ 5. — P. 55 - 59.), было отмечено, что этот хелат имеет высокую растворимость (> 0,1 моль/л при 170 °С и 12 МПа)в ск-С02. Это хорошо коррелирует с нашими результатами. Большой дипольный момент этого соединения в СКФ свидетельствует о его сильном взаимодействии с С02, которое может быть обусловлено либо образованием

Таблица 2. Зависимость растворимости веществ от давления в ск-С02 при 40 °С.

п „п С, моль/л

Р, МПа -1--—i-.-

_ MeCN | Ме2СО I СрМп(СО)3 I Cu(hfac)2H20

5,0 < 0,01 < 0,01 < 0,01 < 0,01

6,0 0,04 ± 0,02

7,0 0,03 ± 0,01 0,08 ± 0,02

8,0 0,06 ± 0,01 0,15 ± 0,04

9,0 0,17 ± 0,02 > 0,64 0,05 ± 0,02 0,03 ± 0,01

10,0 0,49 ± 0,04 0,11 ± 0,02 0,11 ±0,01

11,0 > 0,73 0,19 ±0,02 >0,13 12,0 > 0,21

устойчивого комплекса с переносом заряда, либо существенным возмущением и искажением молекулярной структуры Cu(hfac)2-H20.

ПОЛУЧЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК МЕТАЛЛОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ

На протяжении последних 40 лет технологии производства тонких пленок различных металлов, полупроводников и диэлектриков прошли большой путь в своем развитии и совершенствовании. В первую очередь, к этим технологиям следует отнести химическое и лазеро-химическое осаждение из газовой фазы, молекулярно-лучевую эпитаксию, лазерно-плазменное осаждение и магнетронное распыление. В этом ряду методы формирования тонких пленок с помощью СКФ занимают довольно скромное место, хотя в начале 90-х годов прошлого столетия они рассматривались, как очень перспективные, особенно с точки зрения их экологической чистоты и безопасности. СКФ технологии, в принципе, позволяют заменить в целом ряде случаев летучие, высокотоксичные и пожароопасные исходные соединения (такие как, арсин, фосфин и др.) на химически стабильные в атмосфере и безопасные прекурсоры с низким давлением насыщенных паров. Именно к этому времени относятся наши первые работы по исследованию процессов формирования металлических и полупроводниковых пленок с помощью СКФ растворов различных ЭОС.

Существуют два основных подхода к получению тонких пленок с помощью СКФ. Первый основан на быстром расширении СКФ раствора (в англоязычной литературе Rapid Expansion of Supercritical Solution — RESS), в процессе которого происходит распыление предварительно растворенного в нем вещества через инжекционное сопло в приемную камеру с низким давлением. Плотность флюида при этом уменьшается, происходит снижение его растворяющей способности, ведущее к образованию перенасыщенного раствора и формированию сначала молекулярной, а затем и нанодисперсной фазы растворенного в нем вещества. Сам СКФ переходит в газовую фазу и удаляется из реакционной зоны. Далее, направленный поток индивидуальных молекул или молекулярных кластеров, попадает на нагретую подложку и высвобождает требуемые атомы (в результате термо- или фотоиндуцированной диссоциации), которые затем за счет их поверхностной термодиффузии и формируют пленку нужной структуры и морфологии.

В основе метода RESS лежат процессы спинодальной декомпозиции (СД), нуклеации и конденсации молекул вещества, растворенного в СКФ. СД представляет собой механизм, посредством которого раствор (смесь) двух или более веществ, в процессе его расширения в область пониженного давления, может разделяться на отдельные зоны с различными концентрациями исходных соединений. Ее отличие от нуклеации заключается в том, что разделение фаз происходит по всему объему расширяющейся смеси, а не только в центрах нуклеации (зародышеобразования).

Второй подход, по сути, представляет собой аналог химического осаждения из газовой фазы, где роль реакционной среды играет не смесь рабочих газов, а раствор исходных ЭОС в СКФ. Осаждение пленки из этого раствора (так же, как и в первом случае) происходит за счет пиролитического разложения ЭОС на атомы формируемой структуры и лиганды (в идеале, растворимые в СКФ и удаляемые из зоны пиролиза) на поверхности нагретой подложки. При этом требуемая для диссоциации прекурсора температура подложки может обеспечиваться за счет ее резистивного, либо лазерного нагрева.

Одной из фундаментальных проблем технологий производства тонких пленок, основанных натермо- или фотохимическом разложении исходных ЭОС, стало развитие различного рода неустойчивостей (термодинамических, концентрационных и т.д.), приводящих к отклонению физико-химических характеристик получаемых пленок от требуемых параметров. Поэтому особое внимание было уделено нами разработке модели процесса развития этих неустойчивостей с целью их подавления, а также оптимизации условий осаждения пленок с заданной структурой и морфологией поверхности.

Предполагая, что термодиссоциация молекул прекурсора происходит согласно закону Аррениуса на нагретой подложке (а не в объеме СКФ), а также однородной поверхностной плотности исходных молекул (пренебрегая при этом их поверхностной диффузией), баланс образующегося вещества на подложке будет определяться тремя потоками: 1). потоком молекул прекурсора к подложке из раствора СКФ; 2). потоком молекул, десорбируемых с подложки обратно в СКФ; 3). потоком лигандов молекул прекурсора с поверхности подложки.

Учитывая то, что акты сорбции/десорбции молекул происходят существенно быстрее, чем их термодиссоциация (Ек > Ел + АЕл, где Ек—энергия активации термодиссоциации, Ел — энергия активации физсорбции и АЕА — энергия адсорбции), а также то, что адсорбция способствует интенсификации диссоциации прекурсора на поверхности интерфейса за счет понижения энергетического барьера (Еп - ДЕл), можно пренебречь вкладом от объемной диссоциации прекурсоров (случай реактора с "холодной стенкой"). Тогда, при возникновении некоего возмущения 5 на плоской поверхности подложки за счет термических или концентрационных флуктуаций (рис.16), изменение скорости роста этого возмущения ДКр, соответствующее изменению амплитуды Д5, можно записать как:

Д Кр = 0[Р(Г5)ДЛГх + Л/^ДР], (16)

где П — объем, занимаемый атомом вещества в твердом теле; Л^— количество молекул в единице объема СКФ; Т3 — температура поверхности подложки; Р(Тх) — кинетический коэффициент, определяемый выражением:

0 / ч \(кт,ТЛу2 ( Еп-АЕЛ

Р № ="7 Т"^ ехР - \т . 07)

2\7пт) ^ квТ8

7

8

Возмущение

Граница раздела

Рис.16. Схема для анализа устойчивости возмущений на поверхности пленки в результате воздействия флукгуаций концентрационных и температурных градиентов.

где т — молекулярная масса прекурсора; кв — постоянная Больцмана; 2— коэффициент сжимаемости, зависящий от давления и температуры СКФ. А соответствующие изменения ДМу = Од,5иАР = (д$1дТ)СТо, будут обусловлены градиентом концентрации молекул Сл, на фронте растущего интерфейса и градиентом температуры Ст внутри осаждаемого слоя. И тогда:

где К = (3_1(5р/37).

Понятно, что если А Кр/А8 > 0, то возмущение будет нарастать быстрее, чем плоскость интерфейса в целом. Это будет приводить к образованию нерегулярных (зернистых, дендритоподобных и т.д.) структур и шероховатостей. Если АКр/АБ < 0, то возмущение постепенно исчезнет и поверхность растущей пленки останется гладкой.

Таким образом, критерием морфологической устойчивости процесса термохимического осаждения тонких пленок из СКФ растворов можно считать выражение:

а=оы+щтт< о (19)

или учитывая, что = Л^Г^/Д где О — коэффициент диффузии, то:

Физический смысл полученных результатов заключается в том, что положительная величина градиента концентрации Од, означает увеличение плотности молекул в области возмущения. В то время как второй член в (19) отражает возмущение кинетического коэффициента под действием температурного градиента в осаждаемом слое.

А Кр/Д5 = + ЩКСТ),

(18)

<3% = Р(Г5)/£> + КСГ < 0.

(20)

!

Величина К = р"1 (ар/ЭТ) = 1/2 Т5+(ек-АЕа /квТ:%) всеща положительна (увеличение температуры всегда ведет к ускорению реакций, протекающих по закону Аррениуса). Поэтому в термохимических реакциях при От > О, возмущения, ассоциированные с градиентом плотности молекул нарастают, а при бу < 0 — подавляются.

Теоретические значения Ом и Ст для конкретных условий эксперимента получены нами из решения классических уравнений теплопроводности и массопереноса с учетом как известных, так и определенных экспериментально, характеристик используемых СКФ и материалов подложек. В результате анализа выявлено две области технологических параметров, при которых происходит подавление развития неустойчивостей в процессе осаждения пленок. Первая характеризуется низким давлением реагентов (менее 0,1 МПа), что, по сути, соответствует условиям классического метода осаждения из газовой фазы, где морфологическая стабильность обеспечивается высокими значениями коэффициентов диффузии молекул. Эта область не представляет практического интереса, поскольку растворимость твердых ЭОС в газах низкого давления пренебрежимо мала. Вторая область соответствует параметрам системы вблизи критической точки, где устойчивость обеспечивается развитием турбулентностей конвективного массопереноса в реакторе в условиях максимальных значений коэффициента термического расширения в окрестности КТ. Развитие различных аномалий термофизических свойств среды (теплопроводности, скоростей диффузии и т.д.) вблизи КТ будет только способствовать подавлению локальных возмущений и, как следствие, расширению области устойчивости роста пленки.

Для изучения процессов термохимического осаждения тонких пленок из СКФ растворов и оценки применимости нашей феноменологической модели, в качестве подложек использовались специально подготовленные поверхности из монокристаллического кремния и аморфной двуокиси кремния. Нагрев подложек (вплоть до 850 °С) в реакционной камере высокого давления осуществлялся либо с помощью резистивного нагревателя, либо излучением непрерывного С02 лазера (к = 10,6 мкм). В качестве СКФ растворителей исходных прекурсоров (Си(1^ас)2-Н20) и №(ЬГас)2-Н20) использовались как неполярные (С02, С2Рб и Хе), так и полярные (СР3С1) соединения. Анализ адгезии полученных пленок к подложкам проводился методом "скотч/скретч" теста. Морфология поверхности изучалась стилус-профилометром и сканирующей электронной микроскопией (СЭМ). Элементный анализ проводился методом Оже-спектроскопии с послойным Аг+ ионным травлением. Омическое сопротивление пленок измерялось четырехточечным зондом.

Диапазон исходных концентраций прекурсоров в СКФ варьировался в пределах Ю-4 - ¡О'3 моль/л. Типичная длительность процесса осаждения составляла порядка 10 минут. При этом в случае резистивного нагрева характерные толщины пленок составляли от 30 до 500 нм (в зависимости от

концентраций прекурсоров и температуры подложек), а при ИК лазерном нагреве — от 30 до 100 нм. В последнем случае получение пленок меди толщиной более 50 нм было затруднено их возрастающей отражательной способностью (> 50 %) на длине волны 10,6 мкм, приводившей к снижению температуры подложки (при постоянной мощности падающего излучения) и, как следствие, замедлению скорости их роста.

Оже-анализ профиля распределения элементов по глубине пленок меди показал наличие в них кислорода и углерода. Присутствие кислорода обусловлено наличием молекул воды в исходном прекурсоре, приводящем к частичному окислению пленок в процессе его пиролиза. Наличие углерода является результатом суперпозиции процессов преципитации непродиссо-циировавших молекул прекурсора на поверхности пленки после выключения нагрева и сброса давления в реакторе, а также "замуровывания" органических лигандов прекурсоров и молекул углеродсодержащих СКФ в процессе осаждения.

Сформулированные критерии морфологической устойчивости термохимического осаждения тонких пленок из СКФ растворов (даже без учета поверхностной диффузии молекул прекурсоров) позволили определить "окно" экспериментальных параметров для формирования зеркально гладких (Яа <0,1 мкм) пленок меди и никеля. При этом омическое сопротивление пленок меди составляло от 40 до 60 мкОм/см, а пленок никеля 300 - 420 мкОм/см, что определялось, главным образом, их толщиной и микроструктурой.

В процессе изучения формирования тонких пленок методом НЕББ нами проведен обширный цикл экспериментальных исследований, позволивших эмпирически определить условия формирования пленок меди и никеля с физико-химическими характеристиками, аналогичными приведенным выше, а также пленок молибдена и вольфрама из Мо(СО)6 и \У(СО)6, растворенных в ск-С02 и ск-Хе. Причем омическое сопротивление медных пленок толщиной 0,2 -1,0 мкм удалось довести до значения менее 10 мкОм/см.

Наиболее амбициозной и успешно решенной нами задачей стало осаждение эпитаксиальных пленок полупроводниковых материалов группы АШВУ на примере фосфида индия. В процессе проведения этих экспериментов выявлен целый ряд принципиально важных факторов, влияющих, как на сам процесс осаждения двухкомпонентных пленок из СКФ раствора двух различных элементоорганических прекурсоров, так и на конечный результат в виде тонких (0,3 - 1,0 мкм) пленок 1пР требуемой морфологии и стехиометрии.

Одной из проблем был поиск исходных соединений фосфора и индия (а также их парциального соотношения в СКФ растворе), которые бы в результате своего пиролиза на нагретой подложке высвобождали одинаковые количества атомов Р и 1п в единицу времени. В качестве растворимых в ск-С02, ск-С2Р6 и ск-Хе нами использовались, как коммерчески доступные ((СбН5)3Р, (С6НП)3Р и 1п(асас)3), так и специально синтезированные для этих экспериментов

соединения (Ср1п, Ср31п и [(С6Н4)СН2М(СН3)2]31п). Методами ИК-Фурье спектроскопии и отбора проб были изучены равновесные растворимости этих веществ во всех использованных СКФ. В результате всестороннего анализа большой серии экспериментальных данных, в качестве основных кандидатов были отобраны молекулы (СбН5)3Р и трис(о-диметиламинметилфенил)индия (1П)-[(С6Н4)СН2Ы(СН3)2]31п.

Для инициирования роста пленок фосфида индия требуемой стехиометрии в качестве подложек использовали специально подготовленные подложки 1пР(100). В ходе элементного анализа полученных с помощью ск-С02 пленок обнаружено значительное (несколько атомных %) содержание углерода, как на поверхности, так и во внутренних областях. Поэтому, окончательные эксперименты проводились с использованием ск-Хе в условиях малой (0,2 - 0,5 мкм/ч) скорости формирования пленок, что существенно снижало концентрацию "замурованных" в них углеродсодержащих лигандов.

На рис. 17 приведены Оже-спектры тонкой (~ 400 нм) пленки, полученной на нагретой до 570 °С подложке 1пР при исходных концентрациях [(С6Н4)СН2Ы(СН3)2]31п и (С6Н5)3Р, равных 5 -10'5 и 10~3 моль/л соответственно. Для определения положения интерфейса "пленка/подложка", а также исследования возможности одновременного допирования образующихся пленок атомами других элементов, в качестве метки нами использовались атомы меди (рис. 17, а), которые внедрялись в растущую пленку фосфида индия в результате пиролиза малых количеств Си(асас)2 (концентрация < 1-Ю"5 моль/л), содержащегося в смеси исходных прекурсоров. Отношение атомных концентраций индия и фосфора в полученной пленке (48,9:51,1), в пределах погрешности измерений, соответствовало этому параметру кристаллической подложки (49,1:50,9) из 1пР, что свидетельствовало о высокой степени ее стехиометричности. При этом следов других химических элементов обнаружено не было.

100 300 " 800

Кинетическая энергия, эВ

шоо

100

300 800

Кинетическая энергия, эВ

1000

Рис.17. Оже-спектры тонкой пленки фосфида индия, полученной на нагретой подложке 1пР методом ЯЕ88 (а), и самой подложки после ионного травления пленки (б).

Одним из важнейших достоинств развитого подхода является возможность замены высокотоксичных и опасных прекурсоров на существенно менее опасные. Кроме того, развитые методы СКФ осаждения тонких пленок, в принципе, могут быть совместимы с классическими технологиями осаждения из газовой фазы и молекулярно-лучевой эпитаксии.

СКФ ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ И НАНОПОРИСТЫХ СТЕКОЛ

Аморфные и частично-кристаллические полимеры являются чрезвычайно привлекательными объектами для создания на их основе с помощью СКФ технологий функциональных материалов с принципиально новыми свойствами. Взаимодействие этих систем с газами высокого давления (том числе и с СКФ) может приводить к радикальным изменениям их структуры и, как следствие, их физико-химических свойств (Гумеров Ф.М. др. Суб- и сверхкритические флюиды в процессах переработки полимеров. — Казань: Фэн. — 2000. — 328 е.). В процессе сорбции полимером газов, находящихся при высоком давлении, может происходить его набухание и существенное снижение температуры стеклования 7^, обусловленное уменьшением Ван-дер-Ваальсового или другого специфического (например, водородные связи) взаимодействия между макромолекулами, вследствие увеличения расстояния между ними. В результате твердый полимер может легко трансформироваться в жидко- или гелеподобную систему с существенно более низкой вязкостью, чем у исходного материала. При резком сбросе давления, внутренние области пластифицированного полимера, заполненные СКФ, подвергаются мощным механическим пертурбациям (за счет большого градиента давления, направленного к его поверхности). В результате в этих областях могут формироваться пористые структуры различной степени связанности, которые стабилизируются в процессе перехода системы в твердое состояние.

Отсутствие сил поверхностного натяжения и высокие коэффициенты диффузии, как самих СКФ, так и растворенных в них химических соединений, позволяют им легко проникать в свободный объем аморфных доменов и структурные дефекты полимерных материалов, а также в разнообразные наноструктуры (нанопористые стекла, цеолиты, нанотрубки и т.д.). При этом можно проводить либо импрегнацию полимеров различными веществами, либо экстракцию из полимеров растворимых в СКФ целевых продуктов. Все эти принципы и положены в основу наших исследований и разработок новых методов СКФ синтеза и функционализации перспективных полимерных и нанопористых материалов.

Нами изучен процесс импрегнации цимантреном (СрМп(СО)3) широкого класса тонких пленок и порошков аморфных, частично-кристаллических и кристаллических полимеров (полиметилметакрилат, полиарилат, полиэтилен высокой плотности, полиакрилонитрил и др.) с помощью ск-С02. Методом ИК

Фурье спектроскопии проведен анализ этого процесса в реальном масштабе времени. Установлено, что СКФ импрегнация аморфных полимеров проходит с существенно более высокой эффективностью, чем в случае частично-кристаллических, и практически не имеет места в кристаллических полимерах.

Реализована идея улучшения трибологических характеристик (повышения износостойкости) поверхности полимерных материалов за счет формирования в них наночастиц, полученных из внедренных с помощью СКФ металл-органических соединений (МОС). В качестве модельной системы была выбрана комбинация полиарилата ДВ на основе 4,4-диоксидифенилпропана (используемого в полимерных узлах трения) и Cu(hfac)2-H20, как потенциального источника атомов меди и их агломератов.

Экспериментально изучена кинетика импрегнации Cu(hfac)2-H20 растворенного в ск-С02 в пленки полиарилата ДВ (толщиной от 20 до 60 мкм) в зависимости от температуры и давления в диапазонах 35 - 50 °С и 8 - 20 МПа соответственно. Установлено, что скорость импрегнации имеет немонотонную зависимость от давления и увеличивается с ростом температуры среды и толщины пленки. СЭМ исследование поверхности импрегнированных пленок показало их морфологическую однородность. В тоже время анализ их сколов выявил развитую пористую структуру с характерным микронным масштабом. При исследовании сколов образцов методом рентгенофотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) обнаружен градиентный характер уменьшения концентрации МОС от краев пленки к ее центру. После прогрева образцов на воздухе при температуре 230 °С происходила диссоциация МОС с образованием наночастиц СиО размером < 100 нм. Исходные, импрегнированные и термообработанные образцы подвергались трибологическим испытаниям (анализ износостойкости, измерение коэффициента трения К и микротвердости Нц поверхностного слоя). Показано, что СКФ внедрение МОС в поверхностные слои полиарилата вызывает снижение а последующий фрикционный процесс приводит к ее повышению. Введение МОС в структуру полимера слабо влияет на К. Термическая обработка импрегнированных образцов на воздухе вызывала резкое уменьшение (с 0,45 до 0,2) и стабилизацию К, полуторакратное повышение #м и, как следствие, снижение скорости износа их поверхности. Суммарный износ обработанных образцов за 5 часов трибологического тестирования составил порядка 23 -25 % от износа исходных образцов.

Развитый нами метод СКФ импрегнации полимерных и нанопористых матриц растворимыми в ск-С02 ЭОС с последующим проведением реакций их восстановления или полимеризации, позволил нам синтезировать целый ряд различных нанокомпозитов с принципиально новыми физико-химическими свойствами.

К этим работам относятся эксперименты по модификации оптических свойств нанопористых стекол (размер пор ~ 4 нм) марок ДВ 1 -М (производство Института химии силикатов РАН, г. Санкт-Петербург) и Porous Vycor

(Bioanalytical Systems Inc., США) путем внедрения в них с помощью ск-С02 различных МОС и их последующим термическим отжигом. Интерес к нанопористым стеклам обусловлен возможностью направленного изменения их физико-химических свойств за счет введения в поры определенных химических соединений. В традиционных технологиях эти соединения растворяются в жидком растворителе, которым затем и пропитывается модифицируемый материал. Такой подход достаточно прост и универсален. Однако он имеет и ряд недостатков. Прежде всего, они связаны с очисткой нанопористого материала от привнесенных примесей (например, сорбированной из воздуха воды). Далее, низкая скорость диффузии жидкого раствора затрудняет однородную пропитку значительных объемов материала. И, наконец, капиллярные силы препятствуют как пропитке, так и удалению растворителя из нанопор после завершения процесса. В СКФ растворителях все эти проблемы попросту отсутствуют.

В качестве внедряемых веществ использовали органический краситель Родамин 6Ж, а также соединения меди — Cu(hfac)2-H20 и эрбия — Er(fod) (где fod = 6,6,7,7,8,8,8-гептофтор-2,2-диметил-3,5-октадионат), которые хорошо растворяются в ск-С02. Как оказалось, дня завершения процесса СКФ импрегнации образцов нанопористых стекол миллиметровой толщины (при 50 °С, 13 МПа и исходной концентрации МОС в ск-С02 ~ 5Т0~3 моль/л) достаточно всего 10 мин. Анализ полученных образцов методом ЭПР показал наличие в стеклянных матрицах центров двухвалентной меди аксиальной симметрии. Проведенная оценка концентрации ионов Си2+ в стекле дала величину=2Т018 см-3. Значительно меньшая концентрация меди (~ 2-1017 см-3) была достигнута при импрегнации стекла раствором Cu(hfac)2-H20 в этаноле (при той же исходной концентрации МОС) в течение 60 мин.

Пропитка стекла Vycor спиртовым раствором Er(fod) с концентрацией 5-10~3 моль/л в течение 1 ч не приводила к появлению в его спектре поглощения характерных полос трехзарядного эрбия (максимум на 520 нм). Это свидетельствовало о том, что Er(fod) в спиртовом растворе не проникал в нанопористые стекла на сколько-нибудь значимую глубину.

В то же время, увеличение времени импрегнации стекла Vycor раствором Er(fod) в ск-С02 вело к нарастанию интенсивности полос поглощения трехзарядного эрбия в спектре поглощения на длине волны 3 76 и 520 нм (рис. 18).

Интенсивность этих полос достигала своего насыщения уже через 2 часа после начала процесса. Эффективный коэффициент диффузии, соответствующий условиям транспорта СКФ раствора Er(fod) в нанопористое стекло, был оценен величиной а 3 -10"7 см2/с.

На рис.19 показаны спектры фотолюминесценции (ФЛ) образцов, импрегнированных растворами Родамином 6Ж в ск-С02 и этаноле. Видно, что положение максимумов полос ФЛ в области 550 нм для них заметно отличается. Для образцов, импрегнированных из спиртового раствора, максимум полосы

300 400 500 600

Длина волны, им

Рис. 18. Спектры поглощения стекла Уусог, импрегнированного раствором Ег(1Ьё) в ск-С02.

Длина волны, им

Рис. 19. Спектры фотолюминесценции образцов стекла Уусог, импрегнированных Родамином 6Ж: 1 — из раствора в ск-С02; 2 — из спиртового раствора; 3 — спектр ФЛ раствора Родамина 6Ж в этаноле.

сдвигается в длинноволновую область и приближается к положению максимума полосы его ФЛ в спиртовом растворе. Из этого можно сделать вывод, что в окружении молекулы Родамина 6Ж в стекле, импрегнированном из спиртового раствора, сохраняется, как минимум, несколько молекул растворителя.

Установлено, что при СКФ внедрении МОС предельно достижимые концентрации ионов Си2+ и Ег1+ в стекле значительно (на порядок и более) превышают их значения при использовании в качестве растворителя этанола (при одинаковых исходных концентрациях МОС и временах импрегнации). Отжиг импрегнированного нанопористого стекла приводит к качественному изменению окружения ионов меди и эрбия, вследствие диссоциации молекул МОС и встраивания этих ионов в сетку стекла. Образовавшиеся после отжига центры окраски стабильны и уже не вымываются из стекла СКФ растворителем. Высокая скорость СКФ импрегнации нанопористых стекол МОС даже при

температуре, близкой к комнатной, и возможность полного удаления СКФ растворителя открывают новые возможности для управления их оптическими свойствами. Локальный лазерный фотолиз внедренных соединений позволяет управлять оптическими характеристиками нанопористых стекол с высоким (вплоть до субмикронного) пространственным разрешением.

Особое место в исследованиях возможностей функционализации полимерных материалов с помощью СКФ занимают работы по сополимери-зация метилметакрилата (ММА) и этиленгликольдиметакрилата (ЭГДМА) в матрице сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ). В них изучена зависимость механизма сополимеризации (в качестве инициатора полимеризации использовался трет-бутилпероксибензоат) и образования взаимопроникающей сетки (ВПС) сополимеров в СВМПЭ от соотношения мономеров и способа достижения СКФ состояния диоксида углерода.

В экспериментах СКФ состояние системы достигалось двумя способами. В первом случае ("режим перехода I") автоклав заполняли С02 до давления -3-4 МПа, а затем в течение 45 мин поднимали температуру до 120 °С, одновременно повышая давление до 20 МПа путем введения в реактор новых порций С02 с температурой 20 °С. Во втором случае ("режим перехода И") автоклав заполняли С02 до давления ~ 6 МПа, а затем в течение 45 мин поднимали температуру до 120 °С без добавления С02 (после нагрева давление также достигало примерно 20 МПа). В обоих случаях реакцию проводили в течение 4 ч. После завершения процесса автоклав охлаждали до комнатной температуры в течение 60 мин, после чего в течение 5 мин производили сброс давления С02.

Анализ физико-химических и физико-механических свойств полученных композитов проводили методами дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), динамического механического анализа (ДМА) и термогравиметрического анализа (ТГА). Морфология поверхности срезов полимер-полимерных нанокомпозитов на основе СВМПЭ и ее микромеханические свойства изучались с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) и локального наноиндентирования.

В обоих режимах перехода исследуемой системы в СКФ состояние большая часть мономеров ЭГДМА и ММА сополимеризовалась в свободном объеме автоклава и лишь их меньшая доля (~ от 1 до 3 % от общей массы) в объеме пленок СВМПЭ. При этом в объеме реактора реализовались два типа полимеризационных процессов: полимеризация "в блоке" и дисперсионная полимеризация. В первом случае ("режиму перехода I") весь полимер формировал единую твердую массу на дне автоклава. Во втором случае ("режим перехода II") практически весь объем автоклава заполнялся продуктами сополимеризации ЭГДМА и ММА в виде мелкодисперсионного (размер частиц ~ 1 мкм) порошка.

На основании анализа гравиметрических данных, характеризующих зависимость степени импрегнации а исходных образцов СВМПЭ мономерами

от отношения их массовых долей (ЭГДМА/ММА) и режимов полимеризации, сделан вывод, что степень импрегнации СВМПЭ сильно зависит от режима полимеризации мономеров и от соотношения их массовых долей при цЕМ < 0,45.

Эффективность СКФ импрегнации пленок СВМПЭ мономерами акрилатов с их последующей полимеризацией зависит от концентрации мономеров в окрестности пленок. При большей скорости полимеризации в объеме реактора концентрация мономеров вблизи пленок "истощается" быстрее и процессы полимеризации в СВМПЭ прекращаются на более ранних стадиях, что и приводит к уменьшению а. Полученные результаты доказывают, что скорость процессов в объеме реактора определялась режимами перехода системы к СКФ состоянию и относительной долей более "активного" (с большей величиной константы скорости полимеризации) мономера — ЭГДМА. В режиме подачи дополнительных порций "холодного" (20 °С) диоксида углерода в реактор для повышения давления ("режим перехода I") растворимость мономеров в С02 резко падала и создавались условия для их конденсации на дне реактора с повышенной скоростью полимеризации в "блоке". В этом случае величина а ~ 1 при < 0,7 снижалась до а ~ 0,5 при повышении концентрации ЭГДМА.

В "режиме перехода И" формировалась более однородная система для последующей полимеризации, начинавшейся уже после растворения мономеров и инициатора в ск-С02. При малых концентрациях ЭГДМА (<7Ш< 0,45) скорость полимеризации, протекающей в объеме реактора, была относительно невелика, и создавались условия, более благоприятные для импрегнации пленок СВМПЭ мономерами и инициатором по сравнению с условиями, имеющими место в "режиме перехода I".

На рис.20 представлены результаты ДМ А для образцов СВМПЭ (исходного и импрегнированных при различных условиях) в виде полосок размером

Рис.20. Зависимость относительного удлинения образцов исходного СВМПЭ (/) и СВМПЭ с ВПС: 2 — ПММА:ПЭГДМА/4:1; 3 — ПММА:ПЭГДМА/1:1; 4 — ПММА:ПЭГДМА/1:4, под нагрузкой от температуры.

8,0 х 3,0 х 0,6 мм3. Измерения проводили при статической нагрузке на растяжение 0,4 МПа с темпом увеличения температуры 10 °С/мин в интервале 25-250 °С.

Видно, что для исходного СВМПЭ при температуре 200 °С его относительное удлинение составляет около 185 %. Причем, уже начиная с 175 °С, испытуемые образцы начинали терять свою механическую целостность. В то же время, образцы СВМПЭ с ВПС ПММА/ПЭГДМА не только сохраняли свою целостность во всем диапазоне измерений (до 250 °С), но и их относительное удлинение при температуре 175 °С было несопоставимо (на порядок и более) меньше по сравнению с исходным СВМПЭ. Так, удлинение образцов СВМПЭ с ПММА/ПЭГДМА ( 1:4) составило всего лишь 6 % при 250 °С.

Образование взаимопроникающей сетки сшитых акрилатов в матрице СВМПЭ ограничивает подвижность молекулярных цепей полиэтилена. Это приводит к тому, что даже при температурах, превышающих порог плавления СВМПЭ и разложения метакрилата, полученные образцы сохраняют свою механическую прочность. Эти результаты обусловлены однородностью полученной микроструктуры материала, которая на сегодняшний день может быть достигнута только с помощью СКФ технологий.

Эксперименты по синтезу сополимеров полиметилметакрилата с полистиролом в процессе радикальной полимеризации ММА со стиролом в атмосфере ск-С02 (где в качестве диспергирующего агента использовали полидиметилсилоксан метакрилат) доказали возможность получения мелкодисперсных порошков (характерный размер частиц ~ 1 мкм) сополимера с молекулярной массой Mw~ 36 кДа, обладающих повышенной (по сравнению с чистым полиметилметакрилатом с близкой Mw) термостойкостью.

Известно, что повышение содержания стирола в сополимерах ПММА/ПС ведет к повышению их гидрофильности и химической устойчивости. Их микроструктура (в отличие от чистых ПС и ПММА, характеризующихся хрупкостью, обусловленной наличием высококристалличных доменов) обладает высокой степенью аморфности, а также достаточно большим свободным внутренним объемом, в который могут легко внедряться крупные органические молекулы, а также наночастицы неорганических веществ. Кроме того, варьируя исходное соотношение мономеров ММА и стирола, можно плавно менять показатель преломления сополимера при сохранении его высокой прозрачности.

Все вышеперечисленные достоинства системы ПММА/ПС использованы нами для синтеза мелкодисперсных флуоресцирующих полимерных нанокомпозитов методом дисперсионной СКФ полимеризации ММА и стирола в присутствии коллоидного раствора квантовых точек CdSe/CdS в и-гексане.

Полупроводниковые квантовые точки (ПКТ), имеющие высокий квантовый выход ФЛ в видимой и ближней УФ областях спектра, представляют сегодня большой интерес для широкого круга различных применений, от опто-электроники до биомедицины. Высокая интегральная яркость ПКТ в узком спектральном диапазоне (зависящая как от их размеров, так и от их окружения)

позволяет разрабатывать и создавать на их основе новые типы фотогальванических приборов, а также элементы для перспективных сенсорных и телекоммуникационных систем. Принципиально важной проблемой в изготовлении реальных устройств на основе ПКТ является пространственная стабилизация и сборка индивидуальных ПКТ в определенные двух- и/или трехмерные структуры. Дело в том, что современные технологии синтеза ПКТ (как правило, основанные на методах коллоидной химии) имеют ряд существенных недостатков, обусловленных, в первую очередь, трудностью сохранения исходного пространственного распределения ПКТ (вследствие их склонности к агрегации), а также низкой химической устойчивостью последних к атмосферным воздействиям. Эти факторы приводят к резкому снижению квантового выхода флуоресценции ПКТ и нестабильности их спектральных характеристик.

Наиболее перспективный подход, позволяющий одновременно предотвращать пространственную агломерацию и защищать ПКТ от воздействия различных физико-химических факторов окружающей среды, — их матричная изоляция в полимерах. Одним из привлекательных (с точки зрения минимизации технологических стадий) методов реализации этого подхода является полимеризация исходных мономеров в присутствии ПКТ. Нами предложен и разработан новый метод синтеза стабильных полимерных нанокомпозитов с заданными оптическими свойствами, основанный на сополимеризации мономеров с одновременной матричной изоляцией в них требуемых ПКТ в среде ск-С02. Одностадийность и экологическая безопасность процесса, определяющие его простоту и эффективность, стали, на наш взгляд, безусловными достоинствами этого метода.

В экспериментах мономеры ММА и стирола, инициатор (2,2' азоизобути-ронитрил), ПАВ (полидиметилсилоксан метакрилат) и раствор ПКТ СёБе/СёЗ в и-гексане (с массовой концентрацией 2 г/л) помещали в реактор высокого давления, который заполняли диоксидом углерода при давлении до 20 МПа и температуре 80 °С. В этих условиях систему выдерживали в течение 24 ч при постоянном перемешивании реакционной смеси магнитной мешалкой. После этого реактор охлаждали и постепенно (в течение 15 мин) сбрасывали давление С02 до атмосферного значения, и доставали из него готовый порошок.

На рис.21 представлены результаты СЭМ и ПЭМ анализа полученных нанокомпозитов ПММА/ПС/Сс18е/С<18.

Видно, что частицы сополимера имеют сферическую форму и диаметр ~ 1 мкм. Следует отметить однородность распределения полимерных частиц по размерам (рис.21, а), а также достаточно равномерное распределение ПКТ Сс18е/С(18 по объему индивидуальной частицы ПММА/ПС (рис.21, б).

На рис.22 приведены спектры фотолюминесценции ПКТ СёЗе/СёБ в п-гексане и в частицах сополимера. Внедрение ПКТ в ПММА/ПС не приводит к существенному изменению ширины полосы ФЛ. Однако ведет к заметному

Рис.21. СЭМ (а) и ПЭМ (б) изображения морфологии и внутренней структуры нанокомпозитов ПММА/ПС/Ссйе/СсЮ.

N

Длина волны, нм

Рис.22. Спектры фотолюминесценции ПКТ СаБе/Сёв в гексане (1), в этаноле (2) и в микрочастицах сополимера ПММА/ПС (3).

сдвигу положения её максимума в длинноволновую область (с 632 нм в растворе

до 640 нм в порошке).

Этот сдвиг обусловлен агрегацией ПКТ в наночастицы большего размера в процессе их внедрения в полимерную матрицу при сравнительно высоких температурах (80 °С) в течение длительного времени (24 ч). Приэтом изменение химического окружения для использованных ПКТ (например, растворение их в неполярном и-гексане или в полярном этаноле) не приводит к существенному сдвигу полосы их ФЛ и изменению её формы.

Еще одним развитым нами подходом стало диффузионное СКФ внедрение наночастиц(на примере флуоресцирующих ПКТ Сс18е/Сс18) в мелкодисперсные порошки различных полимеров. К преимуществам этого подхода следует отнести простоту (а, следовательно, дешевизну) и экологическую безопасность его практической реализации на относительно недорогом оборудовании, а также

эффективное решение проблемы стабилизации в пространстве (предотвращение агломерации) исходных квантовых точек.

Эксперименты по диффузионному СКФ внедрению квантовых точек Сс18е/Сс18 в полимерные частицы проводились с мелкодисперсными порошками (размер частиц 0,5 - 2,0 мкм) сополимера ПММА/ПС и аморфизованного политетрафторэтилена—ПТФЭ (ООО "Флуралит синтез", г. Москва). В спектрах ФЛ образцов ПММА/ПС/Сс18е/Сс18 и коллоидного раствора исходных ПКТ в я-гексане наблюдалась одна и та же полоса с максимумом на 620 нм. Это свидетельствовало об отсутствии агломерации ПКТ при их диффузионном внедрении в полимерную матрицу (в отличие от случая дисперсионной сополимеризации ММА и стирола в присутствии ПКТ, рассмотренного выше).

Стабильность ФЛ характеристик, полученных мелкодисперсных наноком-позитов, под воздействием окружающей среды исследовали на открытом воздухе (влажность от 50 до 90 %, температура 18 - 20 °С, естественное освещение) в течение 20 суток. Показано, что положение максимума экситонной полосы излучения нанокомпозитов практически не изменилось (сдвиг в коротковолновую область составил менее 3 нм). В то же время спектр ФЛ коллоидного раствора ПКТ в и-гексане, подвергнутый тому же атмосферному воздействию демонстрировал коротковолновый сдвиг этой полосы более чем на 10 нм. Мы показали, что СКФ диффузионное внедрение квантовых точек С(18е/Сс18 в микрочастицы ПММА/ПС значительно замедляет процесс фотохимической деградации этих ПКТ, тем самым повышая стабильность флуоресцентных характеристик полученных нанокомпозитов.

Для синтезированных нами нанокомпозитов ПТФЭ/Сс18е/Сс18 было проведено тестирование их температурной стабильности в процессе

.1 ______

Длина волны, нм

| Рис.23. Спектры ФЛ нанокомпозитов ПТФЭ/ Сс18е/Сс18, возбуждаемой Уф лазерным

излучением различной интенсивности: 1, 2, 5, 4 — 6, 9, 35, 80 Вт/см2 соответственно.

многократного (более 20 циклов) нагрева/охлаждения в диапазоне 20 - 80 °С, а также стабильности под действием интенсивного (до 80 Вт/см2) непрерывного УФ излучения Аг+ лазера на длине волны 365 нм (рис.23).

По мере увеличения интенсивности возбуждения происходил рост амплитуды ФЛ, а также уширение и сдвиг максимума ее полосы в длинноволновую область, что в точности соответствовало поведению ФЛ для термического нагрева этих нанокомпозитов. Причем, как и при чисто термическом нагреве, эти изменения являлись полностью обратимыми (при уменьшении интенсивности лазерного излучения максимум и амплитуда полосы ФЛ возвращались к своим исходным значениям) на протяжении многих циклов. Полученная система (после соответствующей калибровки) может быть использована, например, в качестве сенсора для дистанционного определения температуры порошковых материалов.

СКФ СИНТЕЗ И ФУНКЦИОНАЛИЗАЦИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНЫ И ФАРМАЦЕВТИКИ

Разработка новых методов синтеза пористых полимерных матриц и микрочастиц, содержащих биоактивные компоненты и не имеющих следов токсичных примесей, а также новых подходов к контролю и управлению физико-химическими и биохимическими свойствами этих композитных материалов, — одна из актуальнейших задач биомедицинского материаловедения. Существующие сегодня способы и технологии производства этих базовых элементов современной регенеративной медицины и фармакологии основаны либо на использовании органических растворителей (ацетон, хлороформ и др.) с последующими весьма дорогостоящими и не всегда эффективными процедурами удаления их следов, либо на высокотемпературных (100 °С и выше) процессах. Помимо снижения терапевтической эффективности конечных продуктов, эти факторы резко ограничивают спектр практически важных для биомедицинских применений термо- и/или химически лабильных лекарственных субстанций и полимеров.

Ключевой идеей предложенного нами подхода к разработке фундаментальных основ "сухих" и ншкотемпературных (35-40 °С) технологий формирования биоактивных полимерных композитов и микрочастиц было использование ск-С02 одновременно в качестве реакционной и транспортной среды. Эта идея базируется на его растворяющей способности, а также на снижении температуры стеклования Т„ и пластификации аморфных или частично-кристаллических полимеров при их взаимодействии с СКФ. Эти факторы существенно облегчают процесс формирования однородно наполненных (растворимыми в СКФ или просто мелкодисперсными) биоактивными компонентами полимерных систем за счет их чисто механического, либо

ультразвукового перемешивания. Пластифицированная в ск-С02 композиция может быть либо инжектирована в пресс-форму требуемой конфигурации для получения пористых матриксов заданной структуры, либо распылена в ресивер низкого давления через сопло определенного диаметра для формирования микрочастиц требуемой дисперсности и морфологии. Одновременно с этим может происходить удаление растворимых в ск-С02 токсичных соединений (непрореагировавшие мономеры и низкомолекулярные олигомеры, инициаторы полимеризации, пластификаторы и т.д.), что, несомненно, способствует повышению биосовместимости получаемых изделий.

Металл-полимерные нанокомпозитыдля ортопедии

Наша методология СКФ импрегнации полимерных матриц МОС с последующим формированием в них наночастиц металлов получила свое дальнейшее развитие в работах по повышению износостойкости и антибактериальной активности СВМПЭ. Сегодня этот полимер широко используется в качестве основного материала для изготовления амортизационных и антифрикционных вкладышей коленного и тазобедренного суставов. Однако в процессе эксплуатации СВМПЭ — трения под нагрузкой о металлическое (титановые и хром-молибденовые сплавы) контртело в агрессивных биологических средах, его поверхность претерпевает сложные трибохимические превращения' приводящие к образованию микрочастиц как самого СВМПЭ, так и материала контртела. Это, в свою очередь, ведет к воспалению окружающих искусственный сустав тканей, и, в конечном итоге, к необходимости его повторной замены на новый. На протяжении последних 20 лет сделано много попыток улучшить трибомеханические свойства СВМПЭ за счет введения в его состав стеклянных, углеродных, керамических и металлических микрочастиц и волокон. Однако это не принесло желаемых результатов, поскольку СВМПЭ в силу своей высокой вязкости и химической стабильности является чрезвычайно сложным объектом для гомогенного диспергирования в нем инородных микрочастиц.

Основываясь на результатах наших работ по улучшению трибологических характеристик полиарилата, нами разработаны процессы СКФ импрегнации СВМПЭ серебросодержащими МОС и их последующего восстановления в атмосфере водорода с образованием наночастиц серебра. Изучено влияние этих процессов на износостойкость фрикционных пар СВМПЭ с титаном и его сплавом с алюминием и ванадием (TÍ6A14V, предназначенного для медицинских применений) на воздухе и в синовиальной жидкости.

Методика СКФ импрегнации, промышленно производимого для биомедицинских целей СВМПЭ {Mw« 6 • 106, Perplas Medical Ltd., Великобритания), заключалась в обработке его образцов (пленки и диски) сереброорганическим комплексом — тетраэтиленгликоль диметиловый эфир гексафторпентан дионатосеребра (Ag(hfac)TeTpaniHM) — в атмосфере ск-С02 при 25 МПа и 38 °С в течение 24 ч. Восстановление металлического серебра в импрегни-

рованных образцах СВМПЭ проводили в атмосфере водорода (при 6,5 МПа и 38 °С) в течение последующих 24 часов. Затем на протяжении еще 24 ч осуществлялась СКФ экстракция из СВМПЭ продуктов разложения комплекса (фторсодержащих органических лигандов) в непрерывном потоке ск-С02 при давлении 25 МПа и 38 °С.

Изучение физико-химических характеристик полученных композитов проводили с помощью ТГА, СЭМ, ПЭМ и АСМ, а также РФЭС и ЭСХА. Анализ трибологических характеристик — на горизонтальном трибометре с нормальной нагрузкой 0,5 МПа к полированному (Ra < 0,2 мкм) контртелу, изготовленному из чистого титана или Ti6 A14V, на воздухе и в синовиальной жидкости при комнатной температуре и относительной скорости скольжения от 10 до 80 мм/с в течение трех часов. Температура фрикционного контакта и коэффициент трения измерялись в реальном времени. Износ образцов СВМПЭ и контртел определяли по эффективной потере масс с интервалом в 1 ч с погрешностью ± 0,05 мг.

На рис.24 приведено изображение тонкого (~ 200 нм) среза приповерхностного слоя обработанного образца СВМПЭ, на котором отчетливо видны наночастицы серебра (дифрактограмма в правом верхнем углу) с характерным размером 20 - 40 нм. Исследования полученных в наших экспериментах образцов методами РФЭС и АСМ показали, что в аморфных зонах СВМПЭ концентрация наночастиц серебра может достигать 7 вес. %.

На рис.25 представлена результирующая гистограмма трибологического тестирования исходных и прошедших полный цикл обработки (СКФ импрегнация, восстановление и СКФ экстракция) образцов СВМПЭ, а также контртел из чистого титана и его сплава Ti6A14V на воздухе при комнатной температуре.

Видно, что у исходных образцов (как СВМПЭ, так и контртел) наблюдается существенная потеря массы. Причем в процессе трения происходило еще и заметное увеличение (от 20 до 30 °С) температуры фрикционного контакта и величины коэффициента трения (от 0,2 до 0,28). В тоже время, для образцов СВМПЭ с наночастицами серебра происходит существенно меньший износ,

Рис.24. ПЭМ изображение структуры СВМПЭ, импрегнированного наночастицами серебра.

Исходные образцы

ПйшПП СВМПЭ

Контртело

Обработанные образцы

<-> 0,0

jIBL

Ti Ti6A14V Ti Ti6Al4V Рис.25. Суммарные потери масс исходного и обработанного с помощью ск-С02 образцов СВМПЭ, а также контртел из чистого Ti и Ti6A14V после трех часов тестирования натрибометре.

как самих полимерных дисков, так металлических контртел. При этом никаких, сколько-нибудь заметных, изменений ни температуры фрикционного контакта, ни коэффициентов трения отмечено не было.

Начальными актами трибохимических трансформаций СВМПЭ в наших условиях являются конкурирующие процессы разрыва основной цепи полимера и отщепления его боковых групп. В результате, низкомолекулярные отрезки цепей ориентируются по направлению движения контртела. В свою очередь, образующиеся в результате деструкции полимера, свободные радикалы и водород могут вступать в химические реакции с материалом контртела. При этом происходит перенос атомов металла на полимерную поверхность, а затем и массоперенос окисленных наночастиц Ti в нижележащие полимерные слои. Этот последовательно происходящий процесс, на который активно влияют внешние условия, структура и химическое строение полимера, постепенно приводит к изменению состава поверхностного слоя, его "старению" и фрагментации в виде микрочастиц износа в паре трения СВМПЭ/Ti. Этот процесс в трибохимии носит название "водородного трения".

Активный массоперенос нано- и микрочастиц металлов приводит к дальнейшему развитию окислительных процессов. А это значит, что для повышения трибоокислительной устойчивости пары трения СВМПЭ/Ti требуется в первую очередь исключить (или хотя бы замедлить) перенос элементов контртела на поверхность полимерного образца. Эта задача успешно решена нами с помощью СКФ импрегнации СВМПЭ наночастицами серебра.

Кроме того, как показали эксперименты с использованием бактерий Staphylococcus epidermidis, поверхность импрегнированных образцов СВМПЭ обладает еще и ярко выраженными антибактериальными свойствами за счет наличия в ней распределенных наночастиц серебра.

Важно отметить, что до наших работ в литературе обсуждалось, главным образом, два механизма износа и образования микрочастиц, вызывающих

воспаление живых тканей в области имплантированного сустава: 1). деградация СВМПЭ в результате его окисления под действием гамма-излучения (в процессе стерилизации) и в контакте с биологическими жидкостями; и 2). коррозия титановых сплавов в агрессивной тканевой среде. Мы показали важность влияния процесса трибохимической деструкции фрикционных пар СВМПЭЛП и СВМПЭЛП6А14У на интенсивность образования как полимерных, так и металлических микрочастиц и предложили эффективный метод его подавления.

Биоактивные полимерные композиты для имплантологии и тканевой инженерии

Полимерные материалы широко используются сегодня как в различных биомедицинских исследованиях, так и в клинической практике. К числу биостабильных полимеров относятся такие хорошо известные материалы: полиэтилен (ПЭ), ПММА, полипропилен, полистирол, политетрафторэтилен (Тефлон®), поливинилхлориды, силиконы, поликарбонаты, а также некоторые полиуретаны и полиамиды. Биодеградируемые природные (коллаген, хитозан, желатин, шелк и др.) и синтетические (алифатические полиэфиры, полиангидриды, полигидрооксибутираты и др.) полимеры дают уникальную возможность создания постепенно растворяющихся в организме имплантатов с их одновременной заменой регенерируемой тканью требуемого типа.

В настоящее время ни один из полимеров в отдельности не может в полной мере удовлетворить широкому спектру как физических, так и биохимических требований, предъявляемых к имплантату для протезирования или направленной регенерации твердых тканей. Поэтому наибольший интерес сегодня представляют композиционные материалы, у которых совокупность свойств нескольких составляющих (подобно тому, как это сконструировано природой) может наиболее близко смоделировать натуральную костную или хрящевую ткани, а также создать условия ее успешной остеоинтеграции с имплантатом, одновременно стимулируя процессы неоостео- или хондрогенеза.

К основным недостаткам полимерных материалов, применяемых сегодня в регенеративной медицине, следует отнести их потенциальную токсичность (из-за возможного присутствия в них токсичных мономеров, низкомолекулярных олигомеров и технологических примесей), низкую биоактивность и значительное отличие их физико-механических характеристик от аналогичных параметров живой ткани, что в совокупности ведет к формированию в области имплантации фиброзной капсулы с высоким риском развития хронического воспаления и реакции отторжения.

Основная цель наших работ в области использования ск-С02 для получения биоактивных полимерных композитов — разработка методов изготовления биостабильных и биорезорбируемых пористых минерал-полимерных матриц для направленной регенерации костных и хрящевых тканей, а также производства черепно-челюстно-лицевых имплантатов принципиально нового качества.

В работах по СКФ экстракции технологических примесей из промышленных акриловых пластмасс Этакрил™ и Протакрил-М (широко используемых в стоматологии для изготовления временных и съемных протезов) была продемонстрирована высокая эффективность использования ск-С02 для очистки, как экспериментальных образцов, так и индивидуальных стоматологических конструкций от токсичных соединений (мономеры и низкомолекулярные олигомеры метил-и этилметакрилата, а также дихлорэтан).

Методами ИК-Фурье спектроскопии, СКФ хроматографии и масс-спектрометрии изучены зависимости концентрации содержащихся в полимерах примесей и скоростей их экстракции от типов исходных материалов и степени полимеризации. Глубокая СКФ обработка временных и съемных протезов существенно повышала их биосовместимость, а в ряде случаев и полностью устраняла эффект "непереносимости", обусловленный токсичным действием метил-и этилметакрилатов, выделяемых из протезов в ротовой полости, особенно в первые часы и сутки после начала их использования.

Нами предложены и исследованы два новых способа получения биостабильных (полиакрилаты) и биорезорбируемых (алифатические полиэфиры) биоактивных пористых минерал-полимерных композитов на основе синтетического гидроксиапатита (ГАП), являющегося основным минеральным компонентом костной ткани, с помощью ск-С02. Первый — это технологии заливочных компаундов (для полиакрилатов) и литьевого прессования (для алифатических полиэфиров) с последующей обработкой в ск-С02, как в статическом, так и в динамическом режимах (регулируемый поток ск-С02). Для всех типов полимеров найдены режимы и определены характерные скорости формирования заданной морфологии поверхности и объемной пористости в диапазоне 100-500 мкм (рис.26).

Для полиакрилатных композитов (Этакрил™/ГАП и Протакрил-М/ГАП) проведены исследования процесса СКФ экстракции из них токсичных примесей,

б

Рис.26. Микроструктура сколов минерал-полимерных композитов обработанных в ск-С02: а — Этакрил™/ГАП (30 вес. %), б — полиф^-лактидУГАП (30 вес. %).

приводящей, как и в случае чистых полимеров, к существенному повышению биосовместимости полученных материалов. Результаты экспериментов ш vivo на крысах линии Wistar показали, что интеграция костной ткани с поверхностью имплантата практически отсутствует при вживлении чистых полиакрилатов. Признаки костной интеграции выявлены лишь при использовании композитов, включавших в себя ГАП. Этот процесс постепенно усиливался в период от 15 до 60 суток, когда количество интегрированных с имплантатом костных структур и площадь их контакта с поверхностью имплантатов значимо возрастали.

Применение СКФ обработки материалов резко усиливало процесс интеграции имплантата с костной тканью за счет удаления токсичных примесей и образования развитой поверхности и пористой внутренней структуры. Новообразованные костные трабекулы прорастали в поры имплантата и неровности его поверхности, связываясь в них с участками, содержащими ГАП. В результате включения в состав минерал-полимерного композита мелкодисперсного ГАП и последующей обработки имплантатов в ск-С02 практически полностью подавляются воспалительно-инфильтративные процессы и резорбция тканей периимплантационной зоны, а также заметно ускоряются остеоиндуктивные и остеоинтеграционные процессы в области имплантата, обеспечивающие увеличение площади прямого контакта последнего с регенерируемой костной тканью.

Второй способ получения биорезорбируемых минерал-полимерных композитов на основе алифатических полиэфиров заключался в синтезе однородно наполненных ГАП пористых биоактивных композитов непосредственно в атмосфере ск-С02. Основным преимуществом данного метода является совмещение процессов синтеза, экстракции токсичных примесей и формирования пористой структуры полимерных композитов в одном технологическом цикле и на одном оборудовании. Кроме того, прямой синтез имплантата в ск-С02 (в отличие от литьевой технологии) не подвергает полимер воздействию высокой температуры и механическим пертурбациям, как правило, приводящим к уменьшению его молекулярной массы Mw, уширению его молекулярно-массового распределения Мп и, как следствие, ускорению и непредсказуемости процесса его деградации в живой ткани.

Для изготовления имплантата определенной формы и пористости (рис.27), соответствующая ей пресс-форма, заполненная тщательно перемешанной смесью исходных порошков, помещается непосредственно в СКФ реактор, либо соединяется с его выходом через систему инжекции полимерного композита.

Этим же методом были синтезированы полимерные композиты, однородно наполненные биоактивными веществами, такими как: каталаза, рибонуклеаза, трипсин, а также антибиотиками и другими лекарственными препаратами.

Отличительной особенностью и безусловным преимуществом разработанной технологии по сравнению с существующими способами приготовления аналогичных систем является высокая степень сохранения биологической

а

в

Рис.27. Имплантаты из минерал-полимерных композитов поли(ДЬ-лактид)/ГАП (30 вес. %), синтезированные в ск-С02: а — имплантаты для пластики дна гайморовой пазухи; б—для замещения дефектов нижней челюсти; в —• их микроструктура.

активности инкапсулированных компонентов (вплоть до 100 %) после их обработки в ск-С02 при полном отсутствии следов, каких бы то ни было органических растворителей.

ln vivo тесты имплантатов, изготовленных с использованием ск-С02, показали их существенное преимущество (с точки зрения тканевых реакций' процессов остеоиндукции и остеоинтеграции) по сравнению с образцами' полученными традиционными методами. Это связано, в первую очередь, с высокой чистотой полученных материалов и приближенной к нативной костной ткани морфологией их поверхности и внутренней структурой.

В результате комплекса проведенных исследований совместно со специалистами ИПЛИТ РАН, ИНЭОС РАН, МГМСУ и ФГУ ЦНИИС Росмед-технологий разработан новый биостабильный им плантационный материал "ПолиГап", предназначенный для восстановления костных фрагментов черепно-челюстно-лицевой области после тяжелых травм, а также после удаления

опухолей и пороков развития. Этот материал, на основе Этакрил™ и химически модифицированного мелкодисперсного ГАП, успешно прошел клинические испытания в ряде российских клиник. На сегодняшний день более 200 индивидуальных имплантатов, изготовленных из "ПолиГап", использовано в ФГУ ЦНИИС Росмедтехнологий и Московском центре детской челюстно-лицевой хирургии для восстановительных операций у детей в возрасте от полутора до 18 лет.

СКФ микронизация и инкапсуляция лекарственных препаратов

Повышение эффективности лекарственных препаратов с одновременным снижением уровня их негативного влияния на организм за счет разработки и создания новых лекарственных форм (ЛФ) адресного и пролонгированного действия—одна из основных тенденций развития современной фармакологии. ЛФ с регулируемой скоростью и пролонгированным характером выделения биоактивных соединений (БАС) обладают значительными преимуществами по сравнению с обычными таблетированными или инъекционными формами. Это обусловлено уменьшением необходимой терапевтической дозы и числа приемов, снижением флуктуаций концентраций БАС в крови, заданной локализацией места его выделения и уменьшением риска возникновения побочных эффектов. Скорость выделения БАС зависит от состава и структуры материала депо-носителя, его геометрических, морфологических и физико-химических характеристик. При использовании в качестве носителей биорезорбируемых полимеров важным параметром является скорость их биодеградации в организме реципиента, обуславливающая динамику выхода БАС в окружающие ткани и системный кровоток.

Использование СКФ технологий для получения биорезорбируемых полимерных микрочастиц и матриц различного размера, формы, структуры и морфологии, однородно наполненных различными биоактивными компонентами, без использования каких бы то ни было органических растворителей, представляет собой перспективную стратегию развития современных фармацевтических производств.

Микронизация (измельчение и диспергирование) гидрофобных фармацевтических субстанций позволяет существенно повысить скорость их растворения в водной среде, способствуя большей биодоступности этих препаратов в плазме крови, повышая тем самым их эффективность и безопасность. При этом важно отметить, что существующие в настоящее время методы и технологии микронизации обладают рядом существенных недостатков. Дробление, механическое измельчение и высушивание в потоке ("spray drying") предполагают использование органических растворителей, высоких температур и/или механических пертурбаций, часто приводящих к снижению биоактивности фармсубстанций и наличию в них следовых количеств токсичных примесей. Аналогичные проблемы характерны также и для традиционных методов

инкапсулирования активных фармацевтических ингредиентов в полимерные матрицы (фазовое сепарирование, высушивание в воздушном потоке или технологии двойных эмульс ий). Остаточные примеси, обладающие выраженной степенью токсичности, не позволяют в полной мере реализовать весь терапевтический потенциал современных ЛФ.

Методы СКФ микронизации и инкапсуляции биоактивных соединений в полимерные материалы обладают целым рядом неоспоримых преимуществ по отношению к традиционным (жидкостным) технологиям, используемым в современной фармакологии. Это обусловлено, в первую очередь, отсутствием необходимости использования токсичных органических растворителей (ацетон, хлороформ, и др.), следовые количества которых чрезвычайно трудно и дорого удалять из конечных продуктов. Благодаря пластификации аморфных алифатических полиэфиров в атмосфере ск-С02, требование растворимости, как самих полимеров, так и инкапсулируемых в них компонентов перестает быть актуальным. Все процессы могут быть реализованы практически при комнатной температуре (35 -40 °С), что позволяет существенно расширить номенклатуру применяемых термочувствительных полимерных матриц и содержащихся в них термолабильных биоактивных соединений.

Для решения комплексной задачи повышения биодоступности, эффективности и контролируемого увеличения продолжительности терапевтического эффекта БАС с одновременным снижением уровня нежелательных лекарственных реакций нами проведена разработка нового подхода, основанного на использовании комбинации методов СКФ микронизации и инкапсуляции биоактивных субстанций в биорезорбируемые полимерные структуры определенного химического состава, полидисперсности и морфологии. В основе этих методов лежат процессы диспергирования, спинодальной декомпозиции, нуклеации и конденсации смесей биоактивных субстанций и пластифицированных в сверхкритическом флюиде аморфных полимеров при их распылении из атмосферы СКФ в ресивер пониженного давления через импульсное сопло определенного профиля и диаметра.

На примере различных групп биоактивных соединений и полимеров гомологического ряда алифатических полиэфиров нами продемонстрирована принципиальная возможность создания с помощью экологически безопасных СКФ технологий высокоэффективных, нетоксичных и относительно недорогих препаратов нового поколения для лечения различных социально-значимых заболеваний.

Для исследования процессов СКФ микронизации лекарственных субстанций, а также их СКФ инкапсуляции биорезорбируемыми полимерами нами использовались:

1) экстракты подорожника (Plantago major) и календулы (Calendula officinalis) — ЭПК;

2) высокоэффективные ранозаживляющие пептиды: трипсин, TRAP-6 и

3) рибосом-инактивирующий белок вискумин (Mistletoe lectin);

4) нестероидный противовоспалительный анальгетик ибупрофен;

5) антипсихотическое средство рисперидон, предназначенное для лечения шизофрении;

6) антибиотик широкого спектра действия гентамидин.

В качестве биорезорбируемых полимеров для СКФ формирования микрочастиц-носителей были выбраны аморфные 0,Ь-полилактиды марок PURASORB PDL02, PDL04 (приведенная вязкость от 0,2 до 0,4 дл/г и mw -20-40 кДа, соответственно) и полилактогликолид марки PURASORB PDLG7502 (приведенная вязкость 0,2 дл/r, mw~ 20 кДа) производства "PURAC Biochem bv" (Нидерланды). Выбор этих полимеров обусловлен тем, что они уже получили широкое распространение в различных биомедицинских исследованиях, и, как показали наши работы, их вязкость в пластифицированном с помощью ск-С02 состоянии (при температуре 40 °С и давлении 10-35 МПа) достаточно низка для формирования из них полимерных микрочастиц требуемой дисперсности.

В качестве базового метода СКФ микронизации биоактивных веществ нами использовался метод быстрого расширения сверхкритического раствора (RESS), описанный ранее. Для СКФ инкапсуляции биоактивных соединений и лекарственных препаратов в биорезорбируемые полимерные микрочастицы нами, в основном, использовался метод получения частиц из насыщенных газами растворов (Particles from Gas Saturated Solution — PGSS). Метод PGSS — наиболее универсальный вариант СКФ технологий как получения полимерных микрочастиц, так и инкапсуляции в них различных БАС. Его суть заключается в комбинации процессов СКФ растворения порошкообразных субстанций, пластификации и набухания полимеров (как правило, аморфных), находящихся под давлением диоксида углерода в суб- или сверхкритическом состоянии, с их последующим интенсивным механическим перемешиванием и распылением полученной смеси в камеру низкого (как правило, атмосферного) давления. Отличительная особенность и главное преимущество PGSS по отношению к другим методам — принципиальная возможность отказа от использования, каких бы то ни было органических растворителей, поскольку требование растворимости, как самих полимеров, так и инкапсулируемых в них компонентов, попросту отсутствует. Основными требованиями к исходным материалам являются их мелкодисперсность (для эффективного и однородного перемешивания) и пластификация полимеров в условиях конкретного процесса. При этом сохраняется возможность получения полимерных микрочастиц заданной дисперсности и морфологии, как за счет прецизионного управления параметрами процесса PGSS (температура, давление, скорость потока и длительность импульса инжекции и т.д.), так и использования стабилизирующих ПАВ.

Принципиально важной характеристикой вещества, определяющей успешное решение задачи его СКФ микронизации, является растворимость

этого соединения в сверхкритическом флюиде. Методом ИК-спектроскопии нами показано, что растворимость ибупрофена в ск-С02 при 15 МПа и 35 °С составляет величину порядка (8,9 ± 1,6)-10 3. Это дало возможность получить субмикронные структуры ибупрофена методом RES S из его исходных кристаллитов, имевших характерный размер порядка 100 мкм. В тоже время растворимость риспервдона в ск-С02 при этих условиях « 10-5 моль/л, то есть его можно считать практически нерастворимым. Тем не менее, в результате экспериментов по микронизации исходной субстанции рисперидона (характерный размер частиц 50 -100 мкм) методом RESS, нам все-таки удалось получить его микрочастицы субмикронного и микронного размеров при 25 МПа и 80 °С (главным образом, за счет гидродинамической фрагментации дефектных фракций в кристаллической структуре исходной субстанции в потоке расширяющегося флюида). Однако, очевидной проблемой и принципиальным недостатком, с точки зрения практического применения этого режима, стал чрезвычайно низкий (порядка 1 - 3 % от общей массы исходной загрузки) выход готового продукта.

Микронизация рисперидона, растворенного в хлороформе, методом сверхкритического флюидного антисольвентного осаждениия (SAS) позволила нам получить его микрочастицы с характерным размером менее 20 мкм при максимальном выходе целевого продукта до 50 %. ВЭЖХ УФ анализ (как и в случае RESS) продемонстрировал полную идентичность хроматограмм исходного и полученного методом SAS микронизированного рисперидона. При этом ГХ-МС анализ остаточного содержания хлороформа в полученных микрочастицах показал отсутствие его следов в пределах чувствительности метода.

СКФ микронизация рисперидона приводит к существенному увеличению скорости его растворения в водной среде (рис.28), способствуя его большей биодоступности в плазме крови. Кроме того, одновременно с микронизацией происходит удаление растворимых в ск-С02 технологических примесей, в той или иной мере всегда присутствующих в исходных фармсубстанциях, что, в свою очередь, способствует увеличению терапевтического потенциала получаемых в конечном итоге лекарственных препаратов.

Кинетику выхода инкапсулированных БАС из полимерных микрочастиц в буферные растворы исследовали методами ВЭЖХ, УФ-спектрофотометрии и спектроскопии КР. Биологическую активность ранозаживляющих пептидов in vitro изучали методом агрегации тромбоцитов с помощью счетчика и анализатора размеров частиц Coulter Multisizer II (Beckman, США) в изотоническом растворе Isoton II®. Цитотоксическую активность вискумина, высвобожденного из полимерных частиц, определяли с помошью МТТ-теста' основанного на способности дегидрогеназ живых клеток восстанавливать водорастворимый 3-(4,5,-диметилтиозолш1-2-ил)-2,5-дифенилтетрозолий бромид (МТТ) до формазана.

Время, ч

Рис.28. Кинетика растворения исходной (/), механически измельченной (2) и СКФ микронизированной (3) субстанций рисперидона в физрастворе при 37 °С.

Анализ кинетики интегральных выходов ЭПК (10 и 20 вес. %) из микрочастиц 0,Ь-полилактида в физиологический раствор показал, что в зависимости от параметров процесса их получения после первоначального 40 - 80 % выброса (обусловленного, главным образом, диффузией с поверхности полимерных микрочастиц) на протяжении последующих 18 часов происходит медленный и достаточно равномерный выход этих соединений, замедляющийся по мере увеличения времени инкубации.

Характер кинетики высвобождения вискумина в течение пяти суток (рис.29) позволяет рассматривать его СКФ инкапсуляцию в полилактидные матрицы, как метод, способный повысить эффективность и безопасность вискумин-содержащих препаратов при терапии онкологических заболеваний за счет медленного и постепенного высвобождения малых количеств цитотоксического агента, воздействующего на опухолевые клетки.

СКФ инкапсуляцию ибупрофена в микрочастицы из РБЬ02 проводили в трех различных режимах: 1) РОББ с плавным механическим перемешиванием исходной смеси ибупрофена с пластифицированным ск-С02 полимером; 2) термовакуумное охрупчивание и механическое измельчение перемешенной смеси ибупрофена с полилактидом, оставшейся в реакторе высокого давления после завершения процесса РОББ и сброса давления С02 до атмосферного значения; 3) РОЗБ с интенсивным ультразвуковым перемешиванием. Ультразвуковое перемешивание СКФ среды в третьем случае осуществляли с помощью акустического концентратора и титанового индуктора (введенного в реакционную камеру), являвшегося проводником акустических волн от мощного ультразвукового генератора, и вызывавшего колебания пластифицированного полимера, дополнительно снижая его вязкость. Кроме того, это делало излишним использование механических смесителей для гомогенного перемешивания как растворимых, так и нерастворимых в СКФ компонентов, что особенно важно при их малых (<0,1 мг) количествах.

О 1500 3000 4500 6000 7500 Время, мин

Рис.29. Кинетика высвобождения вискумина в фосфатный буферный раствор из микрочастиц РОЬ{)2, полученных методом РОЗБ.

120,-—-

-20'—■-1-1-'-■-■-i-J

О 5 10 15 20 25 .30 Время, дни

Рис.30. Кинетика высвобождения ибупрофена из полилактидных микрочастиц разных типов (/, 2, 3) в фосфатный буфер.

Экспериментально показано, что первоначальный выброс ("burst") концентрации ибупрофена в течение первых 24 часов составил для различных образцов 38-61 % от его инкапсулированного количества (рис.30). Затем следовало плавное нарастание концентрации субстанции в растворе вплоть до 9-х суток (полное — 100 % высвобождение ибупрофена) для образцов 2-го типа и 30-х суток (окончание эксперимента, на уровне 77 - 84 % и 68 - 75 %) для порошков 1-го и 3-го типа соответственно. Более высокий первоначальный выброс, а также относительно быстрый выход ибупрофена из образцов 2-го типа (по сравнению с образцами 1-го и 3-го типов) был связан с его преимущественным распределением на поверхности и в приповерхностных слоях полилактидных микрочастиц 2-го типа. Таким образом, варьируя химическую структуру исходных полимеров и параметры процессов СКФ инкапсуляции можно контролируемым образом пролонгировать время выхода ибупрофена in vitro в диапазоне от нескольких дней до более чем 30 суток.

Характерная кинетика выхода гентамицина (антибиотик широкого спектра действия) из полилактогликолидной (PDLG7502) матрицы в фосфатный буфер,

10 0 50 100 150 200 250 300 350 Время, ч

Рис.31. Кинетика высвобождения гентамицина из Р01.7502 в фосфатный буфер.

полученная измерением интегральной интенсивности его аналитической полосы КР, представлена на рис.31. За первый час пребывания исследованных образцов в буферном растворе из них выходит до 25 %, а за первые двое суток до 40 % инкапсулированного в матрицы гентамицина. На пятые сутки, после выхода 50 % гентамицина, кинетика его последующего высвобождения характеризуется практически линейным режимом вплоть до 14 суток проведенных наблюдений с суммарным выходом 70 %.

Аналитический контроль микронизированных и инкапсулированных с помощью СКФ субстанций ибупрофена и рисперидона, проведенный согласно требованиям и5Р 29 и требованиям Европейской Фармакопеи РИ Еиг, продемонстрировал их полное соответствие по проверенным показателям, а также показал отсутствие посторонних примесей и включений (в том числе следовых количеств органических растворителей). Это подтверждает возможность использования предложенных и развитых нами методов СКФ микронизации и инкапсуляции рассмотренных биоактивных соединений и фармсубстанций в биорезорбируемые полимерные матрицы и микрочастицы с различными физико-химическими свойствами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Развита методика оптоакустической калориметрии при высоком давлении. С ее помощью впервые определены энергии диссоциации в системах М(СО)5Ь (М = Сг, Мо; Ь = Н2 и М2) и энтальпии реакций замещения карбонильных групп молекулами водорода и азота в комплексах (г16-СбН6)Сг(СО)3, находящихся в «-гептане при давлениях до 20 МПа;

2. Разработана методика времяпролетных акустических исследований суб-и сверхкритических сред, а также компактные датчики и элементы оборудования для ее реализации, легко встраиваемые в экспериментальные и стандартные узлы систем высокого давления. С их помощью впервые экспериментально получены данные о критических параметрах и фазовом поведении бинарных

смесей С02 - Н2, С02 - N2, С02 - СР3СН2Р и С2Н6 - СР3СН2Р в широком диапазоне температур и парциальных давлений;

3. Предложен и развит метод оптоволоконной рефлектометрии в СКФ. Разработаны и изготовлены высокочувствительные оптоволоконные рефлектометры с оптической компенсацией нестабильности мощности источников излучения. Впервые методом ОВР определены показатели преломления и плотности С02 и СОТз а также изучено фазовое поведение бинарных смесей С02+С6Н12, С02+С7Н16, С02+С5Н12, С02+СН30Н и

С02+ацетофенон в диапазоне давлений 1-30 МПа и температур 10-300 °Св

стационарных и проточных (включая капиллярные и содержащие катализаторы) реакторах;

4. Развита методика радиочастотной диэлектрометрии в средах высокого давления. С ее помощью впервые получены данные по равновесной изотермической растворимости и поведению дипольных моментов ацетонит-рила, ацетона, СрМп(СО)3 и Си(Ыас)2-Н20 в суб- и сверхкритическом С02 в диапазоне давлений от 5 до 15 МПа;

5. Разработаны методы синтеза нано- и микрочастиц, а также осаждения тонких пленок металлов и полупроводников при распылении СКФ растворов ЭОС с последующим пиролизом на нагретой подложке. С их помощью впервые получены эпитаксиальные пленки 1пР из низкотоксичных и стабильных в атмосфере воздуха прекурсоров индия и фосфора;

6. Впервые методом СКФ импрегнации полимеров с последующим восстановлением атомов металлов из ЭОС синтезированы новые нанокомпо-зиты, в том числе, на основе СВМПЭ и наночастиц серебра, обладающие существенно более высокой износостойкостью и химической стабильностью, а также выраженной антибактериальной активностью по сравнению с исходными полимерами;

7. Разработаны физико-химические принципы создания новых биостабильных и биорезорбируемых минерал-полимерных композитов для имплантологии и тканевой инженерии на основе процессов СКФ экстракции, пластификации и порообразования полимерных материалов. Опытные образцы имплантатов, изготовленных из материала "ПолиГап", успешно прошли доклинические и клинические испытания;

8. Предложен и разработан новый подход "сухого" (без использования жидких растворителей) СКФ синтеза полимерных микрочастиц, содержащих биоактивные компоненты. С его помощью получены прототипы различных лекарственных форм пролонгированного действия с характерными временами высвобождения фармацевтических ингредиентов от нескольких часов до 30 суток.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанные в диссертационной работе акустические, оптические и спектроскопические методы исследования СКФ и физико-химических процессов, протекающих с их участием, а также элементы диагностического оборудования и конкретные приборы для определения плотности и изучения фазового поведения многокомпонентных суб- и сверхкритических сред (включая агрессивные) в широком диапазоне температур и давлений уже сегодня стали научно-методической и аппаратурной основой проведения экспериментальных и опытно-промышленных разработок в этой области на качественно новом уровне.

Предложенные и развитые методологии направленной СКФ модификации оптических, физико-химических и биохимических свойств нанопористых стекол, аморфных и частично-кристаллических полимеров в совокупности с результатами проведенных исследований позволили получить целый ряд принципиально новых материалов и структур для электроники, фотоники, биомедицины и фармацевтики.

Дальнейшее развитие предложенных в работе физико-химических принципов и подходов к созданию эффективных, малоотходных и экологически безопасных технологий синтеза и функционализации перспективных материалов с помощью базовых СКФ процессов уже в ближайшие годы может привести к появлению новых высокоэффективных сенсорных элементов и систем, биомедицинских изделий для регенеративной медицины, а также лекарственных препаратов и готовых лекарственных форм пролонгированного действия с принципиально новыми фармакокинетическими свойствами.

Автор выражает глубочайшую благодарность В. Н. Баграташвили, М. А. Полиакоффу, С. М. Хоудлу, В. Я. Панченко, В. В. Лунину, Е. Н. Антонову, Ю.Е. ГорбатомуК А. Н. Коновалову, С. Э. Богородскому, П. С. Тимашеву, Л. И. Кротовой, А. В. Евсееву*, А. П. Симонову, А. Н. Федотову1, А. О. Рыбалтовскаму,

A. И. ВоложинуК А. П. Краснову, Э. Е. Саид-Галиеву, Л. Н. Никитину, В. В. Рогинскаму, А. Л. Иванову,В. В. Зосимову.Д. А. Леменовскому, В. М. Гордиенко,

B. Б. Морозову, Л. Д. Румшу, Е. А. Марквичевой, В. И. Севастьянову и многим, многим другим своим коллегам и друзьям за неоценимую помощь в подготовке и проведении исследований, плодотворные дискуссии и обсуждения полученных результатов.

Используемые сокращения

ACM — атомно-силовая микроскопия

БАС — биоактивное соединение

ВИП — вибрационный измеритель плотности

ВПС — взаимопроникающая сетка

ВЭЖХ—высокоэффективная жидкостная хроматография

ГАП—гидроксиапатит

ГХ - MC — газовая хроматография - масс-спектрометрия

ДМА—динамический механический анализ

ДСК — дифференциальная сканирующая калориметрия

ИК — инфракрасный

KP — комбинационное рассеяние

KT — критическая точка

ЛФ — лекарственная форма

ММА — метилметакрилат

МОС — металлорганическое соединение

ОВР — оптоволоконный рефлектометр

ПАВ — поверхностно-активное вещество

ПКТ — полупроводниковые квантовые точки

ПММА — полиметилметакрилат

ПС — полистирол

ПТФЭ — политетрафторэтилен

РФЭС — рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

СВМПЭ — сверхвысокомолекулярный полиэтилен

СД — спинодальная декомпозиция

СКВ — сверхкритическая вода

СКФ—сверхкритический флюид

СЭМ — сканирующая электронная микроскопия

ТГА — термогравиметрический анализ

ПЭМ — просвечивающая электронная микроскопия

ФЛ — фотолюминесценция

ЭГДМА —этиленгликольдиметакрилат

ЭПК — экстракты подорожника и календулы

ЭОС — элементорганическое соединение

ЭСХА—электронная спектроскопия для химического анализа

PGSS — Particles from Gas Saturated Solution

RESS — Rapid Expansion of Supercritical Solution

SAS — Supercritical Anti-Solvent

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих статьях и патентах:

1. Bagratashvili V.N., George M.W., Johnson F.P.A., Poliakoff М., Popov V.K., Turner J.J. Photoacoustic calorimetric and time-resolved infrared studies on unstable dinitrogen and dihydrogen complexes in hydrocarbon solution; estimation of V-L bond dissociation enthalpies in [(r|s-C5H5)V(CO)3L] compounds (L = N2 and H2) // Mendeleev Comm. — 1991.—№4, —P. 145 148.

2. George M.W., Haward M.T., Hamley P.A., Hughes C., Johnson F.P.A., Popov V.K., Poliakoff M. Infrared spectroscopic study of the photochemical substitution and oxidative addition reactions of (r|5-C5R5)M(CO)4 compounds of the group 5 metals: characterization of the products of the reaction with N2, H2 and HSiEt3 and the kinetic investigation of(r|5-C5R5)M(CO)3 intermediates//Am.Chem.Soc. J. — 1993. — № 115. —P. 2286-2299.

3. Bagratashvili V.N., Howdle S.M., Popov V.K., Stanley K. Can high pressure Raman spectroscopy be simplified? A microscale optical fiber capillary cell for the study of supercritical fluids // Appl. Spectroscopy. — 1994. — V. 48. — № 2. — P. 214 - 218.

4. Popov V.K., Banister J. A., Bagratashvili V.N., Howdle S.M., Poliakoff M. Acoustic and photoacoustic measurements in supercritical fluids; a new approach to determing the critical point of mixtures // J. Supercritical Fluids. — 1994. — № 7. — P. 69-73.

5. Louchev O.A., Popov V.K. Antonov, E.N. The morphological stability in supercritical fluid chemical deposition of films near the critical point // J. Crystal Growth. — 1995. — № 155, —P. 276-285.

6. Walsh E.F., Popov V.K., George M.W., Poliakoff M. Photoacoustic calorimetry at high pressure, a new approach to determination of bond strengths: estimation of the M-L bond dissociation energy of M(CO)sL (M=Cr, Mo; L=H2 and N2) in «-heptane solution U J. Phys. Chem. — 1995. — № 99. — P. 12016 - 12020.

7. Никитин JI.H., Попов B.K., Русанов A.J1., Саид-Галиев Э.Е., Хоудл С.М., Полиакофф М. Импрегнация металлорганических соединений в полимеры с помощью жидкостей в сверхкритическом состоянии // Химическая физика. — 1995. — Т. 14.— № 4. — С. 190- 192.

8. Popov V.K., Bagratashvili V.N., Antonov E.N., Lemenovski D.A. Supercritical fluid chemical deposition of thin InP films: a new approach and precursors // Thin Solid Films. — 1996. — V. 279. — № 1 - 2. — P. 66 - 69.

9. Федотов A.H., Симонов А.П., Попов В.К., Баграташвили В.Н. Диэлектрометрия как метод исследования растворимости полярных соединений в сверхкритических жидкостях//Журнал физической химии.— 1996.—Т. 70.—№ 1. — С. 166-168.

10. Kordikowski A., Robertson D.G., Aguiar-Ricardo A.I., Popov V.K., Howdle S.M., Poliakoff M. Probing vapor/liquid equilibria of near-critical binary gas mixtures by acoustic measurements // J. Phys. Chem. — 1996. — V. 100. — № 22. — P. 9522 - 9529.

11. Walsh E.F., George M.W., Goff S„ Nikiforov S.M., Popov V.K., Sun Xue-Zhong, Poliakoff M. Energetics of the reactions of (r|6-C6H6)Cr(CO)3 with «-heptane, N2 and H2 studied by high-pressure photoacoustic calorimetry // J. Phys. Chem. — 1996. — V. 100. — №50, —P. 19425- 19429.

12. Fedotov A.N., Simonov A.P., Popov V.K., Bagratashvili V.N. Dielectrometry in supercritical fluids; a new approach to the measurement of solubility and study dipole moment behavior of polar compounds. // J. Phys. Chem. — 1997. — V. 101. — № 15. — P. 2929 - 2932.

13. Соболь Э.Н., Баграташвили B.H., Попов B.K., Соболь А.Э., Саид-Галиев Э.Е., Никитин Л.Н. Кинетика диффузии в полимеры раствора металлорганических соединений в сверхкритической двуокиси углерода, и Журнал физической химии. —1998, — Т. 72. —№ 1,— С. 28-31.

14. Popov V.K., Bagratashvili V.N., Krasnov А.Р., Said-Galiyev E.E., Nikitin L.N., Afonicheva O.V., Aliev A.D. Modification oftribologicai properties of polyarylate by supercritical fluid impregnation of copper (II) hexafluoroacetylacetonate // Tribology Letters. — 1998. — № 5. — P. 297 - 301.

15. Краснов А.П., Саид-Галиев Э.Е., Никитин Jl.H., Афоничева О.В., Попов В.К., Баграташвили В.Н., Алиев А.Д., Волков И.О. Трение и износ полиарилата, импрегнированного комплексом меди в сверхкритическом СО,. // Трение и износ — 1998,— Т. 19,— №1, — С.90-96.

16. Воложин А.И., Караков А.Г., Суханов Ю.П., Шехтер А.Б., Попов В.К., Антонов Е.Н., Карротт М. Тканевая реакция на акриловые пластмассы, модифицированные сверхкритической экстракцией двуокисью углерода // Стоматология. — 1998 — Т. 77.—№4. — С. 4-8.

17. Саид-Галиев Э.Е., Краснов А.П., Никитин Л.Н., АфоничеваО.В., Попов В.К., Соболь Э.Н., Баграташвили В.Н., Алиев А.Д. Формирование металл-полимерной поверхности полиарилата в среде сверхкритической двуокиси углерода // Поверхность. — 1998. — № 11. — С. 152- 158.

18. Краснов А.П., Афоничева О.В., Попов В.К., Немерюк Д.А., Клабукова Л.Ф., Макарова Т.Н. Трибохимические процессы в сверхвысокомолекулярном полиэтилене наполненном гидроксиалатитом// Трение и износ.—2000 —Т 21 — №5.—С. 565-569.

19. Hovvdle S.M., Mandel F.S., Wang J.D., Popov V.K. Solvent-free manufacturing ofsynthetic bone composites // Ceramic Transactions. — 2000. — № 107. — P. 97 - 104.

20. Howdle S.M., Watson M.S., Whitaker M.J., Popov V.K., Davies M.C., Mandel F.S., Wang J.D., Shakesheff K.M. Supercritrical fluid mixing: preparation of thermally sensitive polymer composites containing bioactive materials // Chem. Commun. — 2001. — P. 109 -110.

21. Воложин А.И., Песин P.C., Лебедев В.Г., Попов В.К., Рогинский В.В., Дешевой Ю.Б. Исследование процессов костно-мозгового кроветворения на имплантатах из полимерных композитов в длительных культурах костного мозга И Патофизиология и экспериментальная терапия. — 2001. — №2. — С. 17- 19.

22. Воложин А.И., Бирюкбаев Т.Т., Докторов А.А., Чергештов Ю.И., Краснов А.П., Попов В.К., Рогинский В.В. Исследование остеоинтегративных свойств полиметилметакрилата, химически связанного с синтетическим гидроксиапатитом // Российский стоматологический журнал. — 2001. — № 4. — С. 4-8.

23. Краснов А.П., Токарева Н.В., Попов В.К., Хоудл С., Морлей К., Афоничева О.В. Роль трибохимических процессов при трении сверхвысокомолекулярного полиэтилена, импрегнированного сереброорганическим соединением // Трение и износ. — 2001. — Т. 23. — № 1С. 72 - 76.

24. Баграташвили В.Н., Заворотный Ю.С., Попов В.К., Рыбалтовский А.О., Цыпина С.И., Чернов П.В. Модификация оптических свойств нанопористых стекол методом

сверхкритической импрегнации металлорганических соединений // Перспективные материалы. — 2002. — № 1. — С. 35 -40.

25. Bondarenko G.V., Gorbaty Yu.E., Kalinichev A.G., Okhulkov A.V., Popov V.K. A comprehensive study ofNaCl aqueous solution at a constant pressure of 1000 bar in the temperature range 20 - 500 °C // Chem. Eng. Transactions.—2002. — № 2. — P. 79 - 84.

26. Bagratashvili V.N., Konovalov A.N., Popov V.K., Bestemyanov K.P., Gordienko V.M., PoliakofF M. Optical properties of C02 in the vicinity of critical point II Chem. Eng. Transactions. — 2002. — № 2. — P. 441 - 446.

27. Popov V.K., Bagratashvili V.N., Zosimov V.V., Dykhne A.M., Poliakoff M. New approach to acoustic probing of high-pressure media // Chem. Eng. Trans. — 2002. — № 2. — P. 1013-1017.

28. Краснов А.П., Токарева H.B., Афоничева О.В., Бондаренко В.А., Попов В.К., Глухан Е.Н. Свойства монолитных образцов сополимера ПММА в период пластификации сверхкритическим диоксидом углерода // Пластические массы. — 2002.—№ 9. — С. 17-19.

29. Тимофеев В.В., Леменовский Д.А., Житнев Ю.Н., Лунин В.В., Авдеев М.В., Попов

B.К., Баграташвили В.Н. Кинетика терморазложения озона, растворенного в суб-и сверхкритическом диоксиде углерода // ЖФХ. — 2003. — Т. 77. — № 8. —

C. 1293- 1297.

30. Краснов А.П., Токарева Н.В., Попов В.К., Киреев В.В., Хоудл С., Морлей К., Дубовик И.И. Трение и износ СВМПЭ, обработанного сверхкритическим диоксидом углерода // Трение и износ. — 2003. — Т. 24. — № 4. — С. 429 - 435.

31. Bagratashvili V.N., Bestemyanov К.Р., Gordienko V.M., Konovalov A.N., Kudinov I.A., Popov V.K. Resonance absorption and acoustic wave generation induced by a pulsed C02 laser in near-critical C02 // Laser Physics. — 2003. — V. 13. — № 9. — P. 1 - 5.

32. Воложин А.И., Холодов С.В., Попов В.К., Докторов А.А., Краснов А.П. Влияние продолжительности воздействия сверхкритической двуокиси углерода на остеоинтегративную способность биоактивных композитов на основе сополимера полиметилметакрилата и гидроксиапатита // Российский стоматологический журнал. — 2003, —№5. —С. 17-19.

33. Arakcheev V., Bagratashvili V., ValeevA., Gordiyenko V., Kireev V., Morozov V., Olenin A., Popov V., Tunkin V., Yakovlev D. Line width and shift of C02 CARS spectrum near the critical point // J. Raman Spectroscopy. — 2003. — № 34. — P. 952 - 956.

34. Popov V.K., Evseev A.V., Ivanov A.L., Roginski V. V., Volozhin A.I., Howdle S.M. Laser stereolithography and supercritical fluid processing for custom-designed implant fabrication // J. Materials Science: Materials in Medicine. — 2004. — V. 15. —№ 2. — P. 123 -128.

35. Avdeev M.V., Konovalov A.N., Bagratashvili V.N., Popov V.K., Tsypina S.I., Sokolova M., Ke J., Poliakoff M. The fibre optic reflectometer: a new and simple probe for refractive index and phase separation measurements in gases, liquids and supercritical fluids // Phys. Chem. and Chem. Phys. — 2004. — № 6. — P. 1258 - 1263.

36. KrasnovA.P., AfonichevaO.V., Popov V.K., VolozhinA.I. Polymer-polymer complex at the interface of polymethylmetacrylate with hydroxyapatite II Int. J. Polymer Mater. — 2004. — V. 53. — № 1. — P. 1 - 10.

37. Попов В.К., Краснов А.П., Воложин А.И., Хоудл С.М. Новые биоактивные композиты для регенерации костных тканей // Перспективные материалы — 2004

— № 4. -— С. 49 - 57.

38. Oag R.M., King P.J., Meilor С. J., George M. W„ Ke Jie, Poliakoff M„ Bagratashvili V.N., Popov V.K. Determining phase boundaries and vapour/liquid critical points in supercritical fluids: a multi-technique approach III. Supercritical Fluids —2004 — V 30_

— P. 259-272. ' ' '

39. Krasnov A.P., Bondarenko V.A., Klabukova L.F., Popov V.K., Volozhin A.I., Afonicheva O.V., Glukhan E.N., Zharkov A.V. Polylactide filled with hydroxyapatite-physicomechamcal properties and surface analysis // Int. Polymer Science and Tech — 2004, —V. 31, —№ 10,—P. 28-33.

40. Аракчеев В.Г., Баграташвили B.H., Валеев A.A., Гордиенко В.М., Киреев В В Морозов В.Б., Оленин А.Н., Попов В.К., Тункин В.Г., Яковлев Д.В. КАРС-спекгроскопия двуокиси углерода в окрестности критической точки // Квантовая электроника.— 2004.—Т. 34. — № 1, —С. 86-90.

41. Antonov E.N., Bagratashvili V.N., Howdle S.M., Konovalov A.N., Popov V К Shakesheff K.M., Whitaker M.J. 3-D bioactive and biodegradable scaffolds fabricated by selective laser sintering // Advanced Materials. — 2005. — V. 17. — № 3 — P 327 - 330

42. Bagratashvili V.N., Bestemyanov K.P., Gordienko V.M., Kondrat'ev M.V., Konovalov A.N., Popov V.K. Optical heterodyning of the laser radiation backscattered'by the near-

critical carbon dioxide adsorbed in nanopores // Laser Phvsics _2005 — V 15 _

№ 12, —P. 1655- 1659. ' '

43. Barry J.J.A., SilvaM.M.C.G., Popov V.K., Shakesheff K.M., Howdle S.M. Supercritical carbon dioxide: putting the fizz into biomaterials // Philosophical Transaction of Roval Society A. — 2006. — № 364. — P. 249-261.

44. Antonov E.N., Bagratashvili V.N., Howdle S.M., Konovalov A.N., Popov V.K., Panchenko V.Ya. Fabrication of polymer scaffolds for tissue engineering using surface selective laser sintering // Laser Physics. — 2006. — V. 16. — № 5._P. 774 - 787

45. Антонов E.H., Коновалов A.H., Орлова А.Г., Попов В.К., Попова А.В., Шахова Н.М., Баграташвили В.Н. Исследование биологической совместимости пористых полил актидных матриц с помощью оптической когерентной микроскопии //Альманах клинической медицины. — 2006. — Т. XII._С. 105.

46. Попов В.К., Aiitohob Е.Н., Баграташвили В.Н., Евсеев А.В., Панченко В.Я. Лазерные технологии быстрого прототипирования для изготовления индивидуальных имплантатов и матриц для тканевой инженерии // Альманах клинической медицины

— 2006.—Т. XII. — С. 127.

47. Леменовский Д.А., Брусова Г.П., Тимофеев В.В., Юрьин СЛ., Баграташвили В.Н 110П0В В.К. Вторая молодость известного явления. // Природа. — 2006. —Г 1090

— № 6. — С. 42 - 48.

48. Семикозов О.В Мокренко Е.В., Попов В.К., Краснов А.П., Докторов А.А., Холодов с.в., Ьоложин А.И. Лабораторное исследование минералонаполненного композита полилактида, подвергнутого воздействию сверхкритического диоксида углерода

™ЛИ!!гТ 8 челюстн°-лицевой хирургии // Стоматология для всех. — 2006. • * — »• С • 2 о ~■ 31.

49. Попов В.К., Тимашев П.С., Хоудл С., Найлор А., Котова С.Л., Ерина Н.А., Соловьева

Ьаграташвили В.Н. Получение полимер-полимерных композитов на основе

сверхвысокомолекулярного полиэтилена в среде сверхкритического диоксида углерода // Сверхкритические Флюиды: Теория и Практика (СКФ-ТП). — 2006. — Т. 1,— №2, — С. 23-35.

50. Morley K.S., Webb Р.В., TokarevaN.V., Krasnov A.P., Popov V.K., Zhang J., Roberts C. J., Howdle S.M. Synthesis and characterisation of advanced UHMWPE/silver nanocomposites for biomedical applications // European Polymer Journal. — 2007. — №43. —P. 307-314.

51. Авдеев M.B., Баграташвили B.H., Коновалов A.H., Попов В.К., Цыпина С.И., Соколова М.В., Ке Дж., Полиакофф М., By В.З., Ванг Б., Хан Б.Х. Двухканальная оптоволоконная рефлектометрия сверхкритических сред // СКФ-ТП. — 2007. — Т.2.—№ 1, —С. 28-39.

52. Баграташвили В.Н., Богородский С.Э., Коновалов А.Н., Кубышкин А.П., Новицкий А. А., Попов В.К., Уптон К.,Хоудл С.М. Получение микрочастиц биорезорбируемых полимеров с помощью сверхкритических сред // СКФ-ТП. — 2007. — Т. 2. — № 1. — С. 53-60.

53. Tai Н„ Popov V.K., ShakeshefF К.М., Howdle S.M. Putting the fizz into chemistry: applications of supercritical carbon dioxide in tissue engineering, drug delivery and synthesis of novel block copolymers // Biochemical Society Transactions. — 2007. — №35. —P. 516-521.

54. Попов В.К., Евсеев А.В., Антонов Е.Н., Баграташвили В.Н., Коновалов А.Н., Панченко В.Я., Барри Дж.Дж., Уитакер М.Дж., Хоудл С.М. Лазерные технологии изготовления индивидуальных имплантатов и матриц для тканевой инженерии // Оптический журнал. — 2007. — Т. 74. — № 9. — С. 636 - 640.

55. Баграташвили В.Н., Бестемьянов К.П., Гордиенко В.М., Кондратьев М.В., Коновалов А.Н., Попов В.К. Допплеровская спектроскопия околокритического С02 в свободном объеме и нанопорах // СКФ-ТП. — 2007. — Т. 2. — № 3. — С. 81 - 97.

56. Леменовский Д.А., Юрин С.А., Тимофеев В.В., Попов В.К., Баграташвили В.Н., Горбатый Ю.Е., Брусова Г.П., Лунин В.В. Реакции озона с органическими субстратами в сверхкритическом диоксиде углерода// СКФ-ТП. — 2007. —Т. 2. — №4, —С. 30-42.

57. Naylor A., Timashev P.S., Solov'eva А.В., Erina N.A., Busby A.J., Popov V.K., Howdle S.M. Can supercritical carbon dioxide improve the mechanical integrity of ultrahigh molecular weight polyethylene // Advanced Materials. — 2008. — № 20. — P. 575 - 578.

58. Антонов E.H., Богородский С.Э., Фельдман Б.М., Марквичева Е.А., Румш Л.Д., Попов В.К. Получение биодеградируемых микрочастиц с биоактивными компонентами с помощью сверхкритического диоксида углерода // СКФ-ТП. — 2008, —Т. 3. —№ 1,—-С. 34-42.

59. Рыбалтовский А.О., Аксенов А.А., Герасимова В.И., Зосимов В.В., Попов В.К., Соловьева А.Б., Тимашев П.С., Баграташвили В.Н. Синтез наночастиц серебра в матрице сшитого олигоуретанметакрилата// СКФ-ТП. — 2008. —Т. 3. —№ 1. — С. 50-58.

60. Антонов Е.Н., Баграташвили В.Н., Бородина Т.Н., БочковаС.А., Марквичева Е. А., Попов В.К., Попова А.В., Румш Л.Д., Фельдман Б.М. Влияние селективного лазерного спекания на активность трипсина, инкапсулированного в полилактид // Альманах клинической медицины. — 2008. —Т. XVII. — № 2. —С. 30-32.

61. Попов B.K. Сверхкритические флюидные и лазерные технологии получения лекарственных препаратов пролонгированного действия // Альманах клинической медицины. — 2008. — T. XVII. — № 2. — С. 124 - 127.

62. Рыбалтовский А.О., Аксенов A.A., Герасимова В.И., Заворотный Ю.С., Попов

B.К., Зосимов В.В., Баграташвили В.Н. Спектроскопия ß-дикетонэтов серебра и европия в растворах этанола и сверхкритического диоксида углерода И СКФ-ТП

— 2008, — Т.З.— №2, — С.74-81.

63. Валу J.J.A., Evseev A.V., Markov М.А., Upton С.Е., Scotchford C.A., Popov V.K., Howdle S.M. In vitro study ofhydroxyapatite-based photocurable polymer composites prepared by laser stereolithography and supercritical fluid extraction // Acta Biomaterialia

— 2008,—V. 4,—№6, —P. 1603-1610.

64. Хапчаев Ш.Ю., Агапов И.И., Мойсейнович M.M., Рамонова A.A., Богородский

C.Э., Мусаэлян И.С., Попов В.К. Цитотоксическая активность вискумина, инкапсулированного в полилактидную матрицу с помощью сверхкритического диоксида углерода // Биотехнология. — 2008. — № 5. — С. 43 - 49.

65. Arakcheev V.G., Bagratashvili V.N., Dubyanskiy S.A., Morozov V.B., Olenin AN Popov V.K., Tunkin V.G., Valeev A.A., Yakovlev D.V. Vibrational line shapes of liquid and subcritical carbon dioxide in nano-pores // J. Raman Spectroscopy. — 2008 — № 39. — P. 750 - 755.

66. Аракчеев В.Г., Баграташвили B.H., Валеев A.A., Морозов В.Б., Оленин А.Н., Попов В.К., Тункин В.Г. Уширение колебательных спектров двуокиси углерода при адсорбции и конденсации в нанопорах // Вестник МГУ. Серия 3: Физика Астрономия

— 2008. — № 6. — С. 20 - 24.

67. Марквичева Е.А., Антонов E.H., Богородский С.Э., Попова A.B., Фельдман Б M Струкова С.М., Попов В.К., Румш Л.Д. Биодеградируемые микрочастицы с экстрактами лекарственных растений: получение с помощью сверхкритического диоксида углерода и применение для репарации тканей // Биомедицинская химия — 2009. — Т. 55. — № 4. — С. 479 - 488.

68. Коновалов А.Н., Попов В.К., Юсупов В.И., Ямагучи Т. Высокотемпературный вибрационный измеритель плотности агрессивных сред высокого давления // СКФ-ТП. — 2009. — Т. 4. — № 2. — С. 85 - 93.

69. Бухарова Т.Б., Антонов E.H., Баграташвили В.Н., Волков A.B., Гольдштейн Д В Кротова Л.И., Попова A.B., Попов В.К., Фатхудинов Т.Х. Тканеинженерные конструкции на основе пористых полилактидных матриц и мультипотентных

стромальных клеток//Вестник новых медицинских технологий —2009 _T. XVI

— № 1, — С. 85-86.

70. Бочкова С.А., Антонов E.H., Марквичева Е.А., Попов В.К., Попова A.B., Румш Л.Д., Фельдман Б.М. Влияние условий формирования композитов на базе биорезорбируемых полимеров на динамику выхода биологически активных веществ // Вестник новых медицинских технологий.—2009. — T. XVI._№ 1._С. 272 -273

71. Марквичева Е. А., Бородина Т.Н., Антонов E.H., Бочкова С. А., Попов В.К., Фельман Б.М., Ворожцов Г.Н., Румш Л.Д. Включение биоактивных молекул в биодеградируемые микрочастицы с использованием метода сверхкритического

диоксида углерода//Вестник новых медицинских технологий —2009 _Т XVI_

№1.—С. 278-279.

72. Аракчеев В.Г., Баграташвили В.Н., Валеев A.A., Морозов В.Б., Оленин А.Н., Попов В.К., Яковлев Д.В. Спектральные особенности субкритического диоксида углерода в нанопорах // СКФ-ТП. — 2009. — Т. 4. — № 1. — С. 57 - 66.

73. Бухарова Т.Б., Антонов E.H., Попов В.К., Фатхудинов Т.Х., Попова A.B., Волков A.B., Бочкова С.А., Баграташвили В.Н., Гольдштейн Д.В. Биосовместимость тканеинженерных конструкций на основе пористых полилактидных носителей и мультипотентных стромальных клеток костного мозга // Клеточные технологии в биологии и медицине. — 2010. — № 1. — С. 40 - 46.

74. Баграташвили В.Н., Вакштейн М.С., Заворотный Ю.С., Кротова Л.И., Маняшин А.О., Попов В.К., Рыбалтовский А.О., Тараскина И.И., Тимашев П.С. Получение мелкодисперсных флуоресцирующих полимерных нанокомпозитов на основе квантовых точек CdSe с помощью сверхкритического диоксида углерода И Перспективные материалы. — 2010. — № 2. — С. 39 - 45.

75. Тимашев П.С., Кротова Л.И., Леменовский Д.А., Попов В.К. Дисперсионная сополимеризация метилметакрилата и стирола в сверхкритическом диоксиде углерода // СКФ-ТП. — 2010. — Т. 5. — № 2. — С. 70 - 78.

76. Аракчеев В.Г., Баграташвили В.Н., Валеев A.A., Морозов В.Б., Попов В.К. Особенности уширения колебательных полос в спектре двуокиси углерода вблизи критической температуры // СКФ-ТП. — 2010. — Т. 5. — № 4. — С. 32 - 42.

77. Заворотный Ю.С., Кротова Л.И., Попов В.К., Рыбалтовский А.О., Тимашев П.С. Получение флуоресцентных нанокомпозитов с квантовыми точками CdSe/CdS методом дисперсионной полимеризации в сверхкритическом диоксиде углерода// СКФ-ТП. — 2011. — Т. 6. — № 2. — С. 74 - 82.

78. Popov V.K., Bagratashvili V.N., Krotova L.I., Rybaltovskii А.О., Smith D.C., Timashev P.S., Yang J., Zavorotnii Y.S., Howdle S.M. A route to diffusion embedding of CdSe/CdS quantum dots in fluoropolymer microparticles // Green Chemistry. — 2011. — №13. — P. 2696-2700.

79. Попов В.К. Имплантаты в заместительной и регенеративной медицине костных тканей: Биосовместимые материалы. / Под ред. Севастьянова В.И. и Кирпичникова М.П. — М.: Медицинское Информационное Агентство. — 2011. — С. 253 - 294.

80. Баграташвили В.Н., Егоров A.M., Кротова Л.И., Миронов A.B., Панченко В.Я, Паренаго О.О., Попов В.К., Ревельский И.А., Тимашев П.С., Цыпина С.И. Сверхкритическая флюидная микронизация фармацевтической субстанции рисперидона // СКФ-ТП. — 2011. — Т. 6. — № 4. — С. 88 - 101.

81. Колотова Е.С., Егорова С.Г., Рамонова A.A., Богородский С.Э., Попов В.К., Агапов И.И., Кирпичников М.П. Цитотоксические и иммунохимические свойства вискумина, инкапсулированного в полилактидные микрочастицы // Acta Naturae. — 2012. — Т. 4. — № 1. — С. 105 - 110.

82. Антонов E.H., Бочкова С. А., Попов В.К. Исследование растворимости ибупрофена в сверхкритическом диоксиде углерода методом ИК-Фурье спектроскопии // СКФ-ТП. — 2012. — Т. 7. — № 3. — С. 90 - 96.

83. Антонов E.H., Вахрушев И.В., Минаева С. А., Попов В.К. Исследование кинетики высвобождения гентамицина из биорезорбируемых полимерных матриц методом спектроскопии комбинационного рассеяния//Перспективные материалы. —2012. —-№6, —С. 44-48.

84 Слуцкий В.Г., Баграгашвили В.Н., Кротова Л.И., Мишаков Г.В., Попов В.К., Цыганов С. А. Сверхкритическая флюидная микронизация водорастворимых солей // СКФ-ТП. — 2012. — Т. 7. — № 4. — С. 88 - 94.

85. Богородский С.Э., Кротова Л.И., Минаева С.А., Мишаков Г.В., Попов В.К., Басок Ю.Б., Севастьянов В.И. Сверхкритическая флюидная микронизация и инкапсуляция ибупрофена в микрочастицы алифатических полиэфиров // Перспективные материалы.— 2013, —№ 1, — С. 23-32.

86. Кротова Л.И., Миронов A.B., Попов В.К. СКФ микронизация поли-3-

гидроксибутирата методом антисольвентного осаждения // СКФ-ТП _2013 _

Г. 8. — № 1. — С. 36 - 45.

87. Богородский С.Э., Кротова Л.И., Миронов A.B., Попов В.К. Получение высокопористых биорезорбируемых полимерных матриц с помощью сверхкритического диоксида углерода // СКФ-ТП. — 2013. — Т. 8. — № 1._С. 46 - 56.

88. Богородский С.Э., Василец В.Н., Кротова Л.И., Минаева С.А., Миронов A.B., Немец Е.А., Сургученко В.А., Попов В.К., Севастьянов В.И. Формирование биоактивных высокопористых полимерных матриксов для тканевой инженерии // Перспективные материалы. — 2013. — № 5. — С. 44 - 54.

89. Богородский С.Э., ЗархинаТ.С., Минаева С. А., Попов В.К., Соловьева А. Б., Тимашев П.С. Морфологические изменения микроструктуры полимолочной кислоты под

действием сверхкритического диоксида углерода//СКФ-ТП —2013 _Т. 8 _№

2.—С. 84-93. '

Патенты:

1. Рогинский В.В., Попов В.К., Евсеев A.B., Панчеико В .Я., Иванов А.Л. / Способ изготовления стереолитографических моделей и биоимплантантов для применения в черепно-челюстно-лицевой хирургии // Патент РФ Ks 2196543._2003.

2. Краснов А.П., Афоничева О.В., Попова А.Б., Казаков М.Е., Рашкован И.А Воложин А.И., Попов В.К., Ульянов С.А. / Термопластичные полимерные композиции для медицинских применений // Патент РФ № 2197509._2003.

3. Mandel F.S., Wang J.D., Howdle S.M., Popov V.K. / Orthopedic mixtures prepared by supercritical fluid processing techniques // US Patent 6,579,532 B1. — 2003.

4. Howdle S.M., Popov V.K. / Biofunctional polymers prepared in supercritical fluid // US Patent: 6,670,407.-2003.

5. Коновалов A.H., Попов B.K., Юсупов В.И. / Волоконно-оптический измеритель солености жидких сред // Патент РФ № 74708 U1. — 2008.

Подписано к печати 21.10.2013 г. Формат бумаги А5. Заказ №22-2013. Тираж 200 экз. Объем. 4 п л. Отпечатано ООО "Интерконтакт Наука": 119991, Москва, Ленинский пр. 49, тел./факс: (499)135-45-40. E-mail: pm@imet.ac.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ЛАЗЕРНЫХ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

05201450223

ПОПОВ ВЛАДИМИР КАРПОВИЧ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ ФЛЮИДАХ И ФУН КЦИ О НАЛ И 3АЦИ Я МАТЕРИАЛОВ

Специальность 02.00.04 — физическая химия

диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 2013

Официальные оппоненты: Ищенко Анатолий Александрович, доктор

химических наук, профессор, МИТХТ имени М.В. Ломоносова, зав. кафедрой аналитической химии

Рябов Евгений Артурович, доктор физико-математических наук, профессор, ФГБУН Институт спектроскопии РАН, зав. отделом лазерной спектроскопии

Зимняков Дмитрий Александрович, доктор физико-математических наук, профессор, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А., зав. кафедрой физики

Ведущая организация: ФГБУН Институт химической физики

им. H.H. Семенова РАН

Защита состоится 26 декабря 2013 г. в 15:00 ч

(дата, время)

на заседании диссертационного совета Д 501.001.50 при МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, д. 1, стр. 3, Химический факультет, ауд. 446.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в научной библиотеке МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: г. Москва, Ломоносовский пр-т, д. 27.

Диссертация в виде научного доклада выложена в свободном доступе на сайте ВАК http://vak2.ed.gov.ru/.

Диссертация в виде научного доклада разослана_13 ноября 2013 г.

(дата)

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 501.001.50, кандидат химических наук / ! Матушкина H.H.

Ь

Оглавление

Введение....................................................................................................................3

Основная часть.......................................................................................................9

Акустическая диагностика СКФ.......................................................................10

Оптоакустическая калориметрия и оптоакустика в СКФ...............................11

Времяпролетная акустическая диагностика фазового

поведения газов и жидкостей..............................................................................12

Акустическая спектроскопия СКФ.....................................................................18

Оптика и спектроскопия СКФ...........................................................................22

Рэлеевское рассеяние сред вблизи критической точки.................................22

Оптоволоконная рефлекгометрия для изучения СКФ...................................25

Спектроскопия комбинационного рассеяния света в СКФ...........................31

Диэлектрометрия в СКФ........................................................................................33

Получение тонких пленок металлов и полупроводников............................38

СКФ функционализация полимеров и нанопористых стекол....................44

СКФ синтез и функционализация новых материалов

для биомедицины и фармацевтики...................................................................54

Металл-полимерные нанокомпозиты для ортопедии.....................................55

Биоактивные полимерные композиты для имплантологии

и тканевой инженерии...........................................................................................58

СКФ микронизация и инкапсуляция лекарственных препаратов................62

Основные результаты и выводы........................................................................68

Заключение...............................................................................................................70

Используемые сокращения......................................................................................71

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации....................72

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Научно-технический прогресс последних десятилетий во многом обусловлен появлением большого количества новых материалов и эффективных технологий их обработки. Вместе с тем, ограниченность запасов традиционного органического топлива (уголь, нефть и газ), на фоне постоянно увеличивающегося энергопотребления, и угрожающее нарастание проблем загрязнения и разрушения окружающей среды, все чаще приводящих к масштабным экологическим катастрофам, в полный рост поставили задачу поиска новых энергосберегающих, безопасных и безотходных путей синтеза и функционали-зации перспективных материалов. Закономерным следствием этой стратегической тенденции развития цивилизации стало появление самостоятельного научно-промышленного направления — "Зеленая химия" (в англоязычной литературе — "Green Chemistry"). Одним из основополагающих принципов

"Зеленой химии" является замена токсичных органических растворителей практически во всех видах человеческой деятельности (от крупномасштабных химических производств, утилизации отравляющих веществ и токсичных отходов до бытовых услуг) на безопасные сверхкритические флюиды (СКФ) и ионные жидкости.

Уникальным образом, сочетая в себе свойства газов высокого давления (низкая вязкость, высокий коэффициент диффузии, отсутствие сил поверхностного натяжения) и жидкостей (высокая растворяющая способность), СКФ позволяют реализовать разнообразные процессы с существенно более высокой эффективностью по сравнению с обычными газами или жидкостями. Так, с помощью экологически чистой сверхкритической двуокиси углерода можно осуществлять глубокую очистку и модификацию поверхности и объема аморфных и частично-кристаллических полимеров, биоматериалов, микро- и нанопористых структур, а также проводить экстракцию из них или внедрение в них различных растворимых органических и неорганических соединений. Отличительной особенностью СКФ является возможность управления их растворяющей способностью простым изменением давления. Это дает дополнительные преимущества для решения задач повышения селективности и оптимизации различных физико-химических процессов с участием СКФ. Важно также, что СКФ легко и практически без остатка удаляются из обработанного материала простым сбросом давления ниже критического значения. Универсальность же методик и применяемого оборудования, а также их относительная дешевизна во многих случаях ставят СКФ технологии вне конкуренции.

Разработка новых методов изучения СКФ и протекающих с их участием физико-химических процессов, а также создание оборудования для их реализации являются актуальными задачами. В то же время, разработка и оптимизация СКФ процессов высокоэффективного синтеза и функциона-лизации принципиально новых материалов для широкого круга научно-технических приложений и Pix использования в инновационной экономике стали чрезвычайно важными направлениями современных прикладных исследований. Решению именно этих задач и посвящена настоящая диссертационная работа.

Цель работы состояла:

1. В разработке новых и усовершенствовании существовавших ранее методов изучения свойств и структуры СКФ, а также создания элементов диагностического оборудования, легко встраиваемых как в экспериментальные, так и в опытно-промышленные установки;

2. В исследовании механизмов и оптимизации физико-химических процессов, протекающих в многокомпонентных СКФ, с целью получения принципиально новых материалов и структур для электроники, фотоники, биомедицины и фармацевтики;

3. В разработке физико-химических основ эффективных, малоотходных и экологически безопасных технологий синтеза и функционализации перспективных материалов с помощью базовых СКФ процессов (экстракция, импрегнация, пластификация и др.).

Научная новизна

Предложены и развиты новые комплексные методики изучения суб- и сверхкритических сред, а также различных физико-химических процессов, происходящих с их участием, основанные на использовании акустических, оптических и диэлектрометрических методов исследования. Разработаны фундаментальные основы СКФ технологий синтеза и функционализации перспективных материалов для электроники, фотоники, биомедицины и фармацевтики.

Защищаемые положения:

1. Метод оптоакустической калориметрии позволяет непосредственно определять энергии диссоциации и энтальпии реакций замещения при фотохимических процессах, протекающих в газах и жидкостях высокого (до 20 МПа) давления и СКФ;

2. Метод, основанный на измерении скорости распространения и затухания звуковой волны (времяпролетная акустика — ВПА), позволяет определять критические параметры и исследовать фазовое поведение суб- и сверхкритических сред в широком диапазоне температур и давлений в реальном масштабе времени;

3. Метод диагностики сверхкритических флюидов, основанный на анализе спектра акустических гармоник резервуара высокого давления, содержащего исследуемую среду, позволяет проводить анализ агрессивных СКФ без их непосредственного контакта с акустическим излучателем и/или приемником;

4. Методики, основанные на ИК-Фурье и доплеровской спектроскопии, а также спектроскопии комбинационного рассеяния света позволяют проводить комплексные исследования оптических свойств и микроструктуры "свободных" и пространственно ограниченных (в том числе, находящихся в нанопорах) СКФ;

5. Метод оптоволоконной рефлектометрии, основанный на измерении показателя преломления СКФ при отражении излучения от торца оптического волокна, введенного в исследуемую область, дает возможность определять локальную плотность и изучать фазовое поведение суб- и сверхкритических одно- и многокомпонентных сред;

6. Метод, основанный на использовании радиочастотной диэлектрометрии, позволяет измерять растворимость полярных химических соединений и изучать поведение их дипольных моментов в СКФ при высоких (до 20 МПа) давлениях;

7. Методики, основанные на термоиндуцированной диссоциации элементоорганических соединений (ЭОС) растворенных в СКФ, позволяют проводить синтез нано- и микрочастиц, а также осаждение тонких пленок металлов и полупроводников;

8. СКФ импрегнация нанопористых стекол, аморфных и частично-кристаллических полимеров ЭОС с последующим восстановлением атомов металлов и СКФ экстракцией продуктов реакций, позволяет проводить направленную модификацию их оптических свойств, а также получать новые металл-полимерные нанокомпозиты с улучшенными физико-химическими, трибологическими и биохимическими свойствами;

9. Методика "сухого" (без использования органических растворителей) синтеза полимерных композитов с помощью сверхкритического диоксида углерода (ск-С02) позволяет получать биорезорбируемые микрочастицы, однородно наполненные термолабильными и химически нестабильными биоактивными компонентами, а также матрицы для тканевой инженерии заданной пористости и формы, не содержащие токсичных примесей.

Практическое значение диссертации:

1. Разработаны новые и существенно усовершенствованы методы диагностики СКФ: оптоакустическая калориметрия, времяпролетная и спектральная акустика, оптическая и диэлектрометрическая спектроскопия, а также оптоволоконная рефлектометрия. Создано соответствующее оборудование для их реализации. Эти методы с успехом используются в российских и зарубежных лабораториях для исследования суб- и сверхкритических сред, а также физико-химических процессов, лежащих в основе многих сверхкритических флюидных технологий (экстракция, импрегнация, фракционирование, набухание, пластификация полимеров и т.д.).

2. Разработан принципиально новый подход к формированию тонких пленок металлов и полупроводников группы АШВУ на основе растворимых в СКФ низкотоксичных и стабильных в атмосфере воздуха прекурсоров.

3. Предложена и реализована новая методология направленной модификации внутренней структуры и оптических свойств нанопористых стекол, аморфных и частично-кристаллических полимеров для разработки на ее основе перспективных технологий создания элементов фотоники и сенсорики.

4. Разработаны физико-химические основы СКФ технологий направленной модификации и функционализации аморфных и частично-кристаллических полимеров, а также синтеза металл-полимерных нанокомпозитов с улучшенными физико-химическими, трибологическими и биохимическими свойствами для снижения вероятности пост-операционных осложнений и увеличения срока службы эндопротезов на их основе.

5. Синтезированы новые минерал-полимерные биостабильные и биорезорбируемые композиты для стоматологии и черепно-челюстно-лицевой хирургии, успешно прошедшие доклинические и клинические испытания.

6. Предложены и разработаны принципиально новые методики "сухого" синтеза биоактивных минерал-полимерных матриц заданной архитектоники для тканевой инженерии, а также полимерных микрочастиц для лекарственных препаратов пролонгированного действия.

Личный вклад автора

В диссертации систематизированы работы автора, выполненные им в период с 1991 по 2012 гг. Его вклад состоит в постановке задач исследования, их обосновании (включающем анализ литературы, выбор подходов и методологии для их решения), разработке и создании аппаратуры, непосредственном проведении экспериментов, а также интерпретации полученных результатов. В исследованиях, выполненных в соавторстве с зарубежными коллегами, личный вклад автора заключался в постановке задач, разработке оборудования и проведении экспериментов, как в России, так и зарубежом (Великобритании, США и Японии). Представленный в диссертации материал основан на идеях автора и получен им лично или при его определяющем участии.

Апробация работы

Материалы диссертации неоднократно докладывались и обсуждались на семинарах, конференциях, совещаниях и симпозиумах в России и зарубежом, в том числе: на III, IV и VI Международных симпозиумах по сверхкритическим средам (Страсбург, Франция, 1994; Сендай, Япония, 1997; Версаль, Франция, 2003); Национальной конференции по сверхкритической химии (Ноттингем, Великобритания, 1996); III Всероссийской конференции "Структура и динамика молекулярных систем" (Москва, Россия, 1996); Международной конференции "Фундаментальные проблемы науки о полимерах" (Москва, Россия, 1997); III Всемирном конгрессе по медицинской физике (Ницца, Франция, 1997); XII Международной конференции по металлоорганической химии (Прага, Чехия, 1997); 5ой Международной конференции по сверхкритическим средам и обработке материалов (Ницца, Франция, 1998); 14ой, 15ой, 16ой и 17ой Европейских конференциях по биоматериалам (Гаага, Нидерланды, 1998; Бордо, Франция, 1999; Лондон, Великобритания, 2001; Барселона, Испания, 2002); Ежегодных конгрессах Material Research Society (Бостон, США, 1998,2003); Всероссийской конференции "Поликонденсационные полимеры: синтез, структура, свойства" (Москва, Россия, 1999); 6ой Международной конференции по сверхкритическим средам, химии и материалам (Ноттингем, Великобритания, 1999); 27ш Международном симпозиуме по контролируемому выходу биоактивных материалов (Бостон, США, 2000); VI, VII и VIII Российско-Китайских симпозиумах "Новые материалы и технологии" (Пекин, КНР, 2001; Агой, Россия, 2003 ;Гуанджоу, КНР, 2005, Дзясин, КНР, 2009); 8^ Международном симпозиуме "Химическая реакционноспособность и обработка материалов в сверхкритических средах" (Бордо, Франция, 2002); 4^ Международном симпозиуме по химическим технологиям высокого давления (Венеция, Италия, 2002); 13°"Международном симпозиуме по новым оптическим стеклам (Пардубице, Чехия, 2002); IV Международной конференции "Полимерные композиты, покрытия, пленки" (Гомель, Беларусь, 2003); III Всероссийской Каргинской конференции "Полимеры-2004" (Москва, Россия, 2004, 2007); I Международной научно-практической конференции "Сверхкритические флюидные технологии: инновационный

потенциал России" (Ростов, Россия, 2004); Ш и IV Международных конференциях по обработке материалов "МР3" (Сингапур, 2004; Тцукуба, Япония, 2005); III Международной конференции "Болезни цивилизации в аспекте учения В.И. Вернадского" (Москва, Россия, 2005); I-IV Международных конференциях "Медицинская физика и инновации в медицине" (Троицк, Россия, 2006,2008, 2010, 2012); Всероссийских конференциях "Фундаментальные науки — медицине" (Москва, Россия, 2006,2007,2009); IV Всероссийской Каргинской конференции "Наука о полимерах 21-му веку" (Москва, Россия, 2007); X Международной конференции по проблемам растворимости и комплексо-образования в растворах (Суздаль, Россия, 2007); IV, V и VI Международных научно-практических конференциях "Сверхкритические флюиды: фундаментальные основы, технологии, инновации" (Казань, 2007; Суздаль, 2009; Листвянка, Россия, 2011); Международной конференции "Натуральные полимеры, биополимеры, биоматериалы и их композиты" (Керала, Индия, 2007); Международной конференции по молекулярным жидкостям "ХМЬО/ЕМЬО 2007" (Фукуока, Япония, 2007); IX Форуме "Стоматология 2007" (Москва, Россия, 2007); 6ой Международной конференции по фармпрепаратам и фармацевтическим технологиям (Барселона, Испания, 2008); Международном конгрессе по перспективным материалам и процессам "МБЕ 08" (Нюрнберг, Германия, 2008); Международной конференции "Инновационные технологии в науке, технике и образовании" (Таба, Египет, 2009);6ОЙ Международной конференции по наноструктурированным полимерам и нанокомпозитам (Мадрид, Испания, 2010); Всероссийской школе молодых учёных "