Как образуются градиентные структуры в осадке раствора кобальта, выяснили в ИТМО
Ученые ИТМО выяснили, как формируются градиентные структуры соединений кобальта при образовании осадков Лизеганга в агаровом геле. Исследователи зафиксировали шесть фаз осадка с разными свойствами. В перспективе этот подход позволит быстро и дешево создавать новые материалы с заданными характеристиками. Их можно будет использовать в качестве подложек для клеток в электрохимических устройствах, термодатчиков и антимикробного покрытия. Впервые работа была представлена на выставке научных разработок XIV Конгресса молодых ученых ИТМО.
Исследование колебательных периодических систем — один из самых интересных и сложных вопросов в химии в последние годы. Для таких химических реакций характерны колебания концентрации реагентов, что приводит к изменениям скоростей реакций и многократному циклическому выпадению осадка. Эти явления — пример неравновесных процессов, которые наблюдаются в природе повсюду: от появления «колец жизни» на дереве до роста костей у живых существ. До этого ученые ИТМО уже отслеживали динамику осаждения фосфатов кальция и более подробно изучили процесс образования и развития костей в организме человека, а также предложили модельную систему, имитирующую «выращивание» костей.
На этот раз исследователи ИТМО использовали для экспериментов соли кобальта. Соединения этого металла обладают парамагнитными свойствами — намагничиваются от внешнего магнитного поля, что впоследствии позволяет нагревать материал локально. Используя материалы на его основе в качестве подложки для клеток, можно также локально активировать клетки. Кроме того, кобальт в малых дозах — необходимый для нашего организма микроэлемент.
Чтобы отследить процесс осаждения, ученые заливали в пробирки однопроцентный раствор агара и хлорид кобальта. Когда агар с хлоридом кобальта зажелировался, добавляли уже внешний электролит — гидроксид натрия. Это запускало диффузию раствора и образование осадка. В результате химики получили периодически выпадающие градиентные осадки, состоящие из нескольких фаз с разными свойствами. Подобные системы на основе осадков гидроксида кобальта ученые наблюдали впервые.
«Всего мы зафиксировали шесть фаз, которые отличаются друг от друга по цвету, химическим свойствам и составу. Таким образом, у нас получились периодические осадки Лизеганга. По форме они представляют собой кольца и в природе наблюдаются, например, при образовании агата. Однако мы не ожидали, что расстояние между каждым новым кольцом и предыдущим — коэффициент разнесения структуры — не будет соответствовать геометрической прогрессии, как это происходит обычно. В этих структурах каждое кольцо “прижато” к предыдущему. Следует также отметить, что структуры Лизеганга обычно представляют собой одну фазу. В нашей же системе появляются градиент фаз и фазовые превращения промежуточных соединений», — отметила научный руководитель исследовательской группы, кандидат химических наук, доцент научно-образовательного центра инфохимии ИТМО Светлана Уласевич.
Ученые описали протекающие в системе химические реакции и изучили влияние разных факторов на процесс образования фаз. Исследователи выяснили, что посредством изменения уровня pH, концентрации щелочи, температуры и объема поступающего воздуха можно менять соотношение фаз в общем объеме осадка раствора — увеличивать и уменьшать количество колец нужного цвета.
Каждая такая фаза, которая состоит из осадка определенного цвета, — это химическое соединение с уникальными свойствами. Часто такие соединения выступают как основной компонент при разработке новых материалов. Так, полученные осадки раствора кобальта можно будет использовать в качестве подложек для клеток в электрохимических устройствах. А также как термодатчики, импланты, основу для пигментов и антимикробное покрытие. Причем создать подобные материалы можно всего за несколько недель при минимальных ресурсах.
«Наш следующий шаг — изучить каждую из получившихся фаз осадка. Определить их показатели произведения растворимости и проводимости. А также провести тесты с клетками и проверить, какие из полученных материалов наиболее биосовместимые и как могут влиять на поведение живых культур», — рассказал один из участников исследовательской группы, бакалавр научно-образовательного центра инфохимии ИТМО Леонид Гудзеров.
Источник информации и фото: пресс-служба Университета ИТМО
Разместила: Ирина Усик