Синтез и исследование наночастиц и наноструктурированных материалов

Избранные публикации
В работе представлены результаты исследования по синтезу и характеризации наночастиц гидроксиапатита, допированных ионами железа, для создания биосовместимых пигментов красной гаммы. С использованием простого и масштабируемого метода соосаждения были получены наночастицы с контролируемыми структурными параметрами и колориметрическими свойствами путём изменения pH среды (8 или 10) и концентрации допанта (5, 10 или 20 ат. %).
Для определения фазового состава, размеров кристаллитов и параметров элементарной ячейки были проведены порошковая рентгеновская дифракция, инфракрасная спектроскопия, просвечивающая электронная микроскопия и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия. Сочетание экспериментального и квантово-химического подходов подтвердило наличие неклассического механизма роста наночастиц — процесса ориентированного присоединения исходных блоков.
Была разработана методика изучения колориметрических свойств с использованием цветового пространства CIELAB на основе портативного колориметра. На основе синтезированных наночастиц создан косметический продукт в виде бальзама для губ и теней для век.
Tkachenko D., Voskanyan L., Markarian A., Shaposhnik V., Osmolowsky M., Voznesenskiy M., Osmolovskaya O., Bobrysheva N. New biocompatible red tint pigments based on hydroxyapatite: The influence of nanoparticle parameters on colorimetric properties // Optical Materials. 2025. Т. 168. Vol. № 117426. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2025.117426

Образование мути в вине, обусловленное взаимодействием белков и полифенолов, отрицательно сказывается на его органолептических свойствах. Хотя существует ряд сорбентов для предотвращения мути, они часто требуют высоких дозировок, обладают ограниченной селективностью по отношению к полифенолам и вызывают экологические опасения. Для решения этих проблем мы разработали композиты на основе хитина, модифицированные Fe₃O₄, гидроксиапатитом и слоистыми двойными гидроксидами Mg-Al, используя новую масштабируемую и экологически безопасную методику.
Композиты были всесторонне охарактеризованы с помощью широкого спектра физико-химических методов. Оптимальные условия сорбции были определены с использованием многофакторного планирования, а анализ Парето позволил оценить влияние параметров. Испытания на образце яблочного вина показали высокую эффективность удаления белков для всех композитов, при этом сорбция полифенолов варьировалась. Среди разработанных материалов композит на основе слоистых двойных гидроксидов Mg-Al достиг оптимального баланса, эффективно удаляя белки при минимальной сорбции полифенолов.
Полученные результаты подчёркивают потенциал композитов на основе хитина как устойчивых и масштабируемых решений для стабилизации вина, учитывающих как эффективность, так и экологические аспекты.
Rashitova K.I., Pavlova O.V., Trusova M.M., Bobrysheva N.P., Osmolovsky M.G., Voznesenskiy M.A., Osmolovskaya O.M. Chitosan flakes modified with inorganic nanoparticles as adsorbent of proteins and polyphenols for haze-preventing in apple wines // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2025. Т. 727. Vol. № 138123. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2025.138123

В данном исследовании предложена простая и недорогая методика синтеза наночастиц типа «ядро–оболочка» Fe₃O₄@ZnO как перспективного фотокатализатора. Разработана легко масштабируемая оригинальная методика, основанная на последовательном и одновременном добавлении ионов Zn²⁺ и OH⁻ к ядрам Fe₃O₄, а также предварительном и последующем нагревании реакционной среды.
Установлено, что структура наночастиц Fe₃O₄@ZnO представляет собой последовательность слоёв, включающих магнетит (Fe₃O₄), маггемит (γ-Fe₂O₃), гётит (α-FeOOH) и оксид цинка (ZnO) в ориентации (0001). Такая последовательность слоёв обеспечивает плавный переход от ядра Fe₃O₄ к оболочке ZnO. Условия синтеза влияют на плотность и толщину слоёв, что позволяет легко регулировать свойства Fe₃O₄@ZnO.
Фотокаталитическая деградация модельного красителя (нафтоловый зелёный) в присутствии наночастиц Fe₃O₄@ZnO достигла 77 % за 60 минут под УФ-излучением, тогда как ядра Fe₃O₄ показали лишь 20 %. Широкозонный слой ZnO на поверхности узкозонногоFe₃O₄ обеспечивает разделение зарядов и подавляет рекомбинацию электрон-дырочных пар, что значительно увеличивает фотокаталитическую активность материала. Разделение фотокатализатора с помощью магнита дало такой же результат, как и с использованием центрифуги.
Все эти результаты позволяют говорить о недорогом производстве, эффективной работе, низкой токсичности и простом разделении Fe₃O₄@ZnO.
Tkachenko D., Zheltova V.V., Meshina K.I., Vorontsov-Velyaminov P.N., Emelianova M.S., Bobrysheva N.P., Osmolovsky M.G., Voznesenskiy M.A., Osmolovskaya O.M. Fe₃O₄@ZnO Core-Shell Nanoparticles—a novel facile fabricated magnetically separable photocatalyst // Applied Surface Science. 2024. Vol. 672. № 160873. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.160873

Актуальной и сложной задачей является создание эффективного фотокатализатора, пригодного для промышленной очистки воды и направленного на удаление циклических органических соединений. В данном исследовании ставилась цель прояснить несколько «тёмных пятен» в этой области, а именно: возможно ли создать эффективный фотокатализатор, активируемый видимым светом, с использованием простой и недорогой стратегии, и какие ключевые факторы влияют на его эффективность.
В работе разработана новая методика получения сферических наночастиц с одинаковым средним размером, но различным количеством кислородных вакансий, дефектов и концентрацией допанта. Для получения наночастиц стержневидной формы предложен подход на основе гидротермальной обработки. Проведено систематическое исследование фотокаталитического поведения на примере деградации окситетрациклина и метиленового синего под действием видимого света от широкодоступной LED-лампы. На основе химического и вычислительного экспериментов определён основной фактор, влияющий на эффективность процесса.
Podurets A., Odegova V., Cherkashina K., Bulatov A., Bobrysheva N., Osmolovskaya O., Voznesenskiy M., Osmolowsky M. The strategy for organic dye and antibiotic photocatalytic removal for water remediation in an example of Co-SnO₂ nanoparticles // Journal of Hazardous Materials. 2022. Т. 436. Vol. № 129035. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129035

Актуальной задачей в аналитической химии является применение возобновляемых и природных материалов для изоляции опасных веществ, таких как противомикробные препараты, из образцов окружающей среды. Разработана энергоэффективная и масштабируемая гидротермальная процедура для создания экологически безопасного «переключаемого» сорбента на основе наночастиц гидроксиапатита с модифицированной insitu поверхностью при использовании небольшого количества стабилизирующих агентов.
Проведена характеризация сорбентов, включая исследование состава поверхности с помощью квантово-химических расчётов на основе оригинального подхода. Сорбенты продемонстрировали хорошо выраженное управляемое переключение поверхности и высокие значения эффективности сорбции и элюции для тетрациклина, окситетрациклина и хлортетрациклина, достигаемые простым изменением pH среды. Эти процессы подробно обсуждаются на основе результатов химических и вычислительных экспериментов.
Впервые предложена простая и универсальная стратегия выбора подходящего сорбента для твердофазной экстракции целевых аналитов. Показано, что разработанная экологически безопасная процедура пробоподготовки с использованием биосовместимых сорбентов может применяться как для удаления целевых аналитов из матрицы образца, так и для их количественного определения после этапа элюции.
Представленное исследование имеет значение для определения различных амфотерных аналитов в широком спектре образцов.
Vakh C., Malkova K., Syukkalova E., Bobrysheva N., Voznesenskiy M., Bulatov A., Osmolovskaya O. Chemical and computational strategy for design of “switchable” sorbent based on hydroxyapatite nanoparticles for dispersive micro-solid phase extraction of tetracyclines // Journal of Hazardous Materials. 2021. Т. 419. Vol. № 126504. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126504

В данной работе масштабируемым гидротермальным методом были синтезированы наночастицы фосфата кальция при значительно меньшем времени выдержки, чем это описывалось ранее в литературе.
Морфологические параметры всех образцов были систематически охарактеризованы с помощью порошковой рентгеновской дифракции, просвечивающей электронной микроскопии, анализа удельной поверхности и инфракрасной спектроскопии. Обсуждаются параметры кристаллической решётки и размеры кристаллитов. Показано, что поверхностно-активные вещества (ПАВ) и допанты значительно влияют на процесс формирования наночастиц на всех этапах — от элементарной ячейки до размера кристаллитов, а также на размер и форму наночастиц.
Демонстрируется возможность регулирования морфологических параметров наночастиц путём добавления стабилизирующих агентов и допантов различной природы.
Также представлены термические свойства наночастиц гидроксиапатита и допированного трикальций фосфата. Результаты показывают, что присутствие ПАВ предотвращает спекание при высоких температурах. В случае HAp термическая стабильность зависит от того, являются ли наночастицы монокристаллическими или поликристаллическими, а наличие ПАВ на поверхности сдвигает температуру разложения в сторону более высоких значений.
Syukkalova E.A., Sadetskaya A.V., Demidova N.D., Bobrysheva N.P., Voznesenskiy M.A., Osmolovskaya O.M. The effect of reaction medium and hydrothermal synthesis conditions on morphological parameters and thermal behavior of calcium phosphate nanoparticles // Ceramics International. 2021. Т. 47. Vol. № 2809-2821. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.09.135