Регистрация / Вход
Прислать материал

Нанолаборатория на чипе: высокотехнологичная комплексная система диагностики полимерных нанообъектов.

Докладчик: Иванов Дмитрий Анатольевич

Должность: зав. лабораторией, к.ф.-м.н.

Цель проекта:
Основная задача данного проекта состоит в разработке новых методов физико-химического анализа и создание уникального комплекса оборудования "Нанолаборатория на чипе", основой которого является принципиально новый прибор "Нанокалориметр". Характерные особенности предполагаемого к разработке нанокалориметра - способность проводить измерения с очень малыми образцами (порядка единиц нанограмм) с высокими скоростями нагрева/охлаждения (до 10^5 К/с). Для сравнения с классическим дифференциальным сканирующим калориметром (ДСК), следует отметить, что минимальная масса образца, который может быть исследован ДСК, составляет около 0.1 мг, что объясняется невозможностью проводить нагревание и охлаждение со скоростями, превышающими 500 К/мин. Разрабатываемый Нанокалориметр за счёт высоких скоростей нагрева/охлаждения в комбинации с высокочастотной температурной модуляцией позволяет не только расширить диапазон масс образцов в область нано- и даже пикограммов, но и более успешно разделять близкие по температуре эффекты, что значительно обогащает возможности термического анализа. Также, конструкция разрабатываемого Нанокалориметра предполагает совмещение теплофизических исследований на наношкале с другими методами исследования, например с оптической микроскопией или рассеянием рентгеновских лучей.

Основные планируемые результаты проекта:
Высокая чувствительность, необходимая для работы с образцами малой массы, достигается благодаря реализации в Нанокалориметре чрезвычайно высоких скоростей нагревания/охлаждения (до 10^5 К/с) в режиме DC калориметрии (то есть в экспериментах с постоянными скоростями нагрева и охлаждения) и высокой частоты модуляции температуры (до 40.0 кГц) в режиме AC калориметрии (или модуляционной калориметрии). При этом, в Нанокалориметре должна быть также предусмотрена возможность проведения теплофизических измерений со скоростями нагрева, характерными для классической ДСК. Погрешность измерения температуры образца - менее 1.0 К. Максимальная рабочая температура в режиме быстрого нагрева - 723 К.
Единственный на сегодняшний день коммерческий аналог создаваемого прибора– «Flash DSC» фирмы Mettler-Toledo- уступает предлагаемому Нанокалориметру по ряду технических показателей. Так, коммерческий прибор лишен возможности проводить модуляционные калориметрические эксперименты, и таким образом не подходит для изучения поведения образцов при медленных нагревах или в квази-изотермических режимах. Более того, сама компоновка прибора «Flash DSC» принципиально не позволяет сочетать его с другими экспериментальными методами. Прибор, разрабатываемый в данном проекте, наоборот, будет конструироваться с учетом возможности его интеграции в различные установки.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Создание нанолаборатории на чипе позволит исследовать органические образцы, имеющие нанометровый диапазон размеров хотя бы по одному из измерений, что представляет большой интерес, в частности, для разработки новых технологий обработки поверхностей, основанных на контролируемой модификации поверхностных слоев толщиной порядка нескольких нанометров. Помимо этого, такие объекты часто встречаются при изготовлении фармакологических материалов, синтез и очистка которых могут длиться довольно долго и поэтому зачастую приходится работать с малыми и сверхмалыми образцами. Следует отметить, что высокая скорость нагрева/охлаждения, необходимая для исследования малых образцов, позволяет реализовать термический анализ образцов в динамике их изменения, например, для контроля качества в реальном времени.
Создаваемое оборудование имеет важную инновационную составляющую и дает возможность проведения экспериментов, недоступных научному сообществу ранее. Это оборудование также имеет высокий потенциал интеграции в широкий ряд экспериментальных методов и соответствующих приборных платформ. В ходе выполнения проекта будет разработана принципиальная схема, позволяющая интегрировать Нанокалориметр в сканирующий зондовый, оптический и Рамановский микроскопы, в уникальный комплекс для рентгеноструктурного анализа “Xenocs WAXS/SAXS X-ray System”, задействованный в проекте, а также на линию по нанофокусной синхротронной рентгеновской дифракции в Европейском центре синхротронных исследований (ESRF, Гренобль, Франция).

Текущие результаты проекта:
1. За отчетный период проведен аналитический обзор современной научной литературы, посвященной рассматриваемой проблеме.
2. Проведены патентные исследования в области нанокалориметрии и измерительных платформ, использующих комбинированные методы исследования.
3. Проведен сравнительный анализ возможных направлений проведения исследований с последующим обоснованием выбора оптимального направления исследований.
4. Разработана методика приготовления образцов наноструктурированных материалов.
5. По результатам данного исследования опубликованы две статьи в высокорейтинговом журнале Macromolecules (импакт-фактор 5.927).