Фазовые переходы в суспензиях искусственно синтезированных наноразмерных макромолекулярных магнитных полимеров как инструмент создания новых смарт-материалов

Projeto: Award Project

Detalhes do projeto

Description

Создание искусственного каучука в 30-ых годах XX века послужило началом науки о полимерах, и вот уже почти сто лет интерес огромного числа ученых во всем мире к синтезу, изучению и использованию полимерных веществ не угасает. В последние годы, в связи с мощным развитием физики мягких материалов и наноматериалов, произошел переход от конструкционных материалов к функциональным и смарт-полимерам, которые меняют свое поведение в зависимости от параметров окружающей среды.
Существующие в настоящее время полимерные материалы с контролируемым откликом чувствительны к широкому диапазону различных параметров, таких как температура и электромагнитные излучения, специальные катализаторы. Способность реагировать на электрические и магнитные поля является особо ценной для технологических применений, в которых требуется активный контроль над поведением материала. Чувствительность к электрическим полям широко распространена среди мягких материалов и часто используется для создания смарт-систем, однако, полимеры с существенным магнитным откликом напротив очень редки и проявляют эту способность только при очень низких температурах. Для того, чтобы получать значительный магнитный отклик при нормальных условиях необходимо внедрять твердые магнитные микро- или наночастицы в полимерный материал, что позволит избежать нежелательных побочных эффектов в реакции системы, так как магнитное поле воздействует исключительно на магнитные частицы.
Сами по себе магнитные микро- и наночастицы, даже после нескольких десятилетий активных исследований, продолжают привлекать интерес ученых из-за возможности широкого использования в биомедицине и технологиях. Первыми устойчивыми материалами на основе магнитных наночастиц являются искусственно синтезированные более 40 лет назад магнитные жидкости (феррожидкости, ферроколлоиды), которые обладают уникальным сочетанием свойств текучей жидкости и способности ощутимо реагировать на магнитное поле. Важным является тот факт, что со статистико-механической точки зрения, наночастицы в них могут рассматриваться как однородно намагниченные шары, межчастичное взаимодействие между которыми является строго магнитным диполь-дипольным. Именно определяющая роль этого нецентрального взаимодействия лежит в основе наблюдаемых аномальных свойств феррожидкостей. В качестве примера можно привести явление фазового расслоения (аналогичного фазовому переходу типа газ-жидкость), индуцируемого однородным магнитным полем в изотермо-изобарических условиях. Природные аналоги такого явления неизвестны.
Более сложными системами на основе магнитных наночастиц и следующим шагом в развитии магнитных мягких материалом являются сложные полимерные материалы, которые могут быть получены путем внедрения магнитных частиц внутрь полимерных матриц или сетей, таким образом получая сшитые структуры типа магнитных гелей или тонких пленок на основе полимерных кистей. Однако существующие на данный момент современные методы синтеза таких композитных материалов обеспечивают весьма ограниченный контроль над магнитным откликом системы. Перспективной стратегией преодоления данного ограничения и прямой путь к синтезу более чувствительных и сложных материалов с магнитным откликом является сшивка полимерами небольших агрегатов из магнитных частиц. Такие кластеры могут быть использованы в качестве хорошо структурированных базовых блоков для построения более сложных смарт-систем. Естественной отправной точкой для создания качественных сшитых систем является стабилизация самоорганизующихся при изменении окружающей среды агрегатов из магнитных частиц. В магнитных жидкостях, например, могут образовываться простые открытые цепи, замкнутые кольца, разветвленные структуры или микрокапельные агрегаты, которые во многом определяют физические свойства данного материала. Важно отметить, что цепочечные агрегаты из магнитных частиц были недавно отмечены в качестве перспективных материалов для проектирования носителей записи и сенсорных систем, биомедицинских материалов или фотонных кристаллов (Wang, Nano, (2011)). На сегодняшний день стабилизация цепочек из магнитных частиц с помощью полимеров экспериментально достигается различными способами: путем покрытия полимерами или синтез частиц in situ в определенных местах вдоль полимерной молекулы, которая выступает в качестве основы. В любом случае, окончательным результатом всех этих процедур являются полугибкие цепочки, проявляющие магнитный отклик. Эти структуры аналогичны полимерным цепям с магнитными частицами, играющими роль мономеров и сшивателями, эквивалентными химическим связям между ними. Такие системы, известные как магнитные полимеры (филаменты), и являются основным предметом исследования данного проекта.
Первый метод синтеза наноразмерных макромолекулярных магнитных полимеров, основанный на ДНК-сшивке цепочек из магнитных частиц, был разработан более десяти лет назад (Dreyfus, Nature, (2005)) благодаря развитию магнитоуправляемых микрожидкостных приложений. Основным применением магнитных филаментов на сегодняшний день является их использование в качестве искусственных ресничек, приводимых в действие магнитным полем, а также для создания микропловцов или магнитоконтролируемых устройств доставки лекарственных средств. Более того дисперсии биосовместимых магнитных полимеров были уже испытаны в качестве контрастных агентов для магниторезонансных измерений в биомедицине и дают более высокий магнитный отклик, чем эквивалентные им традиционные магнитные жидкости. Таким образом дисперсии магнитных филаментов являются перспективными кандидатами на замену традиционных магнитных жидкостей в любом приложении, которое получает преимущество из повышения магнитореологического отклика. Несмотря на чрезвычайно широкий спектр возможных применений, исследование магнитных полимеров все еще находится на очень ранней стадии.
Цель данного проекта сфокусирована на теоретическом изучении фундаментальной физики макромолекулярных магнитных полимеров и их дисперсий. Говоря о системах магнитных полимеров, мы знаем, что без центрального притяжения между частицами при высокой интенсивности магнитных взаимодействиях цепочки из магнитных филаментов просто свернутся в кольца, а при низких – будут сохранять свою топологию. Про системы из простых сферических магнитных наночастиц известно, что они формируют сетки, кольца, ветвистые структуры, но они крайне неустойчивы при изменении окружающей среды. Если же к магнитным частицам добавить центральное взаимодействие, то, подобные системы, например, жидкости Штокмайера, будут расслаиваться на сильно и слабо концентрированные фазы при условии доминирования центрального притяжения над дипольным и тепловыми флуктуациями, разрушая при этом цепочки, кольца и ветвящиеся структуры. Однако, искусственно синтезированные магнитные наноразмерные полимеры любой заданной топологии, будь то цепочки, кольца и т.п., свою топологию будут сохранять, независимо от потенциалов и условий окружающей среды, но непременно будут изменять свои конформации, что создает возможность стабилизации сетчатых структур, применяемых, например, в фильтрации или микрокапельных агрегатов для направленного транспорта лекарств. Все это говорит об актуальности данного исследования.
Зная, что свойства многих живых полимеров во многом определяются конформацией цепочки полимера, отдельной строкой в проекте будет проходить изучение структурных свойств магнитных полимеров и их самоорганизация. Основываясь на сочетании компьютерного моделирования, аналитических подходов и численных методов, данное исследование позволит создать последовательный, наглядный и гибкий подход к изучению больших систем из магнитных наноразмерных полимеров. Основная цель данного теоретического подхода - соединить в себе понимание физических свойств отдельных магнитных полимеров, микроструктуру и магнитореологический отклик суспензий из них.
В заключение хотелось бы подчеркнуть новизну и актуальность данного проекта.
Данный проект направлен на восполнение основных пробелов в фундаментальном понимании физики магнитных мягких материалов, что позволит проложить путь к созданию новейших и высококачественных материалов и приложений на основе магнитного отклика. Полученное в результате выполнения данного проекта систематизированное исследование, сможет выявить все недостатки и преимущества высокотехнологичного использования дисперсий на основе магнитных полимеров. Использование магнитных полимеров вместо обычных магнитных частиц обеспечит магнитным жидкостям более высокую сопротивляемость напряжению сдвига и чувствительность к внешним полям благодаря предварительной сшивке частиц в структурно устойчивые объекты, что расширит возможность применения таких систем в новых смарт-материалах. Полученные в ходе выполнения данного проекта результаты будут являться абсолютно новыми, а также поднимут российскую науку в области магнитных мягких материалов на качественно новый уровень.
EstadoTerminado
Data de início/fim efetiva01/07/201730/06/2019

GRNTI

  • 29.03.77

Type of Financial Sources

  • RNF

UrFU Research Division section that handles this grant (Kuibyshev, Mira)

  • Kuibyshev Research Division