Лаборатория ФХНС ИХС РАН

История лаборатории физикохимии наноразмерных систем

На протяжении существования лаборатории варьировались направления научной деятельности, менялась тематика и, как следствие, изменялось название. Вместе с тем, следует отметить, что указанные изменения, определяющиеся общими тенденциями развития фундаментальной науки и потребностями наукоемких отраслей производства, не затронули общей направленности научных работ лаборатории. Большое внимание при проведении научных исследований в лаборатории уделялось и уделяется организации тесной связи между такими составляющими научной деятельности, как

- синтез новых неорганических веществ и соединений и всестороннее исследование их строения и физико-химических свойств;
- физико-химическое исследование и термодинамическое моделирование равновесных (метастабильных), стационарных и динамических состояний в сложных оксидных системах и изучение механизмов и кинетики процессов их установления;
- использование полученных фундаментальных знаний для разработки новых материалов и технологий.

В истории лаборатории можно выделить три основных этапа, смена которых отражалась в определенной степени в изменении названия (лаборатория синтеза минеральных полимеров, лаборатория фазовых равновесий оксидных систем, лаборатория физикохимии наноразмерных систем). Следует отметить, что сложившейся традицией лаборатории является формирование новых научных направлений в тесной генетической связи со всем накопленным опытом научной деятельности лаборатории, сохранение и развитие научно-методических достижений лаборатории.

Лаборатория синтеза минеральных полимеров была создана в Институте химии силикатов имени И.В.Гребенщикова АН СССР на основании Распоряжения Бюро Президиума АН СССР от 18.02.1961 г. В соответствии с этим постановлением основное научное направление деятельности лаборатории – это создание физико-химических основ получения новых неорганических материалов, обладающих жаростойкостью, термостабильностью, высокой механической прочностью, радиационной, химической устойчивостью. Необходимость проведения фундаментальных исследований в этом направлении диктовалась развитием новых высоких технологий в машиностроении, атомной промышленности, авиационной и космической технике. Организатором и первым заведующим лаборатории был заслуженный деятель науки и техники РСФСР, д.т.н., проф. Александр Дмитриевич Федосеев. Кадры лаборатории составили сотрудники ИХС АН СССР, переведенные из других подразделений института, и молодые специалисты – выпускники Ленинградского государственного университета и Ленинградского химико-технологического института.

В этот период в лаборатории были проведены широкие исследования по изучению кинетики и механизма образования волокнистых силикатов и германатов изоструктурных амфиболам и серпентинам в гидротермальных условиях, из фторидных систем при твердофазном взаимодействии, из расплава и из газовой фазы. Были изучены фазовые соотношения в рассматриваемых системах, определено влияние параметров синтеза на механизм кристаллизации, морфологию и размер синтезируемых кристаллов. Полученные результаты позволили определить оптимальные условия синтеза волокнистых силикатов и германатов, в том числе при использовании в качестве исходных материалов природных минералов и горных пород. Изучены закономерности изоморфизма в различных структурных позициях кристаллической решетки синтезированных фаз. Впервые получено белее двадцати новых веществ изоструктурных амфиболам и серпентинам, в которых ион кремния в тетраэдрических позициях замещен на ионы германия, магния и 3d-элементов, а октаэдры заселены элементами I и II групп Периодической системы. Определены кристаллографические характеристики фаз, изучены их физико-химические свойства. Проведен анализ влияния вариаций химического состава на структуру, свойства и морфологию исследуемых силикатов. В гидротермальных условиях впервые синтезированы соединения, принадлежащие к новым структурным типам – трехрядные ленточно-цепочечные волокнистые силикаты и германаты, а также новая разновидность слоистых силикатов – триоктаэдрическая Na-слюда. Осуществлены пионерские работы по изучению механизма формирования ленточных силикатов.

Разработанная в лаборатории технология волокнистых силикатов изоструктурных амфиболам и серпентинам передана во Всесоюзный институт синтеза минерального сырья Министерства геологии СССР для организации крупномасштабного производства. Полученные волокнистые силикаты использованы в качестве армирующих наполнителей при создании новых композиционных материалов на основе органических, кремнийорганических и алюмофосфатных связующих по термостойкости, прочности, удельному электрическому сопротивлению и другим характеристикам превосходящих материалы, применяемые в различных областях техники. На основе синтетических волокнистых силикатов были разработаны новые высокоэффективные адсорбенты для извлечения катионов тяжелых металлов из кислых и щелочных водных растворов. Практические результаты по разработке новых материалов и технологий отмечены бронзовой медалью ВДНХ.

С 1969г. лабораторию возглавил Заслуженный деятель науки и техники РФ, д.х.н., проф. Роман Георгиевич Гребенщиков. Под руководством и при непосредственном участии Р.Г. Гребенщикова проводились систематические исследования фазовых равновесий в системах цепочечных силикатов – пироксенов – и их германатных аналогов. Эти исследования представляли теоретический интерес и имели важное практическое значение в связи с широким использованием материалов на основе изученных пироксенов в различных отраслях техники и производства (ситаллы, электро- и радиокерамика, каменное литье и др.). В связи с актуальностью проведения широкомасштабных научных исследований по физико-химическому анализу оксидных систем, включая системы, содержащие воду (гидротермальные условия), и ориентацией значительной части сотрудников лаборатории на решение этих задач, в 1977 г. лаборатория стала называться лабораторией фазовых равновесий оксидных систем. В семидесятые-восьмидесятые годы в лабораторию пришли известные специалисты в области изучения фазовых равновесий. Прежде всего следует выделить в этом плане приход в лабораторию профессора Ф.Я.Галахова, которым было много сделано по совершенствованию техники физико-химического анализа тугоплавких оксидов, изучению фазового расслоения расплавов, систематизации данных о фазовых равновесиях оксидных систем.

Основным научным направлением лаборатории фазовых равновесий оксидных систем являлось изучение фазовых равновесий и метастабильных состояний в оксидных системах и установление связи между кристаллохимическими особенностями строения фаз и видом диаграммы состояния. Было экспериментально исследовано более сотни оксидных систем, открыты и изучены структура и свойства нескольких десятков новых химических соединений. На основании систематизированной и проанализированной литературной информации и оригинальных данных, полученных сотрудниками лаборатории, о диаграммах состояния оксидных систем был выпущен многотомный справочник. В 1999 г. лабораторию возглавил член-корреспондент РАН Виктор Владимирович Гусаров. С начала 80-х годов XX-го века в науке и, в частности, в химии и науке о материалах все больший интерес начинает представлять изучение влияния размера частиц (размерного фактора) на особенности синтеза, структуры и свойств веществ и материалов. Подобные исследования активно проводятся в лаборатории. Большое внимание уделяется разработке методов получения наноразмерных частиц и наноструктур различной морфологии – нанослоев, нанотрубок, нанонитей наностержней, наночастиц изометрической формы, а также наноматериалов (нанокомпозитов и нанокерамики) на их основе. Изучаются особенности строения и свойств вещества в наноразмерном состоянии и наноматериалов. Разрабатываются теоретические основы физико-химического описания процессов образования, строения и свойств наночастиц и наноструктур, химического взаимодействия в наноразмерных системах, структурного и химического превращения в наночастицах и наноструктурах. В связи с научной актуальностью и практической потребностью проведения широкомасштабных научных исследований по получению, изучению строения и свойств наночастиц, наноструктур, наноматериалов, а также физико-химическому анализу наноразмерных систем, и ориентацией большой группы сотрудников лаборатории на решение этих задач, в 2001 г. лаборатория стала называться лабораторией физикохимии наноразмерных систем.