«Приоритет 2030»: молодой ученый Московского Политеха расширяет области применения гидрогелей
В числе одиннадцати молодых ученых, получивших в конце 2021 года гранты имени известного советского и российского физика Владимира Фортова, – Ольга Сулягина, научный сотрудник и преподаватель Факультета химической технологии и биотехнологии. Ольга исследует свойства гидрогелевых систем оптическими методами применительно к био- и водородным технологиям.
Напомним, что грантовый конкурс осуществляется в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030» и направлен на поддержку лучших молодежных научных проектов в университете.
Широкий интерес во всем мире вызывает сегодня практическое использование мягкой материи, которая включает в себя подвижные структурированные среды, в том числе гидрогели. Эти полимерные соединения, благодаря своим реологическим, теплофизическим и физико-химическим свойствам, относятся к умным (интеллектуальным) материалам.
Гидрогели уже подтвердили свой высокий потенциал при использовании в био- и регенеративной медицине, фармацевтике, сельском хозяйстве, нефтедобыче и других отраслях. Исследование их свойств вызвано необходимостью внедрения новых перспективных технологий выращивания органов на основе биопечати, создания новых методов медикаментозного лечения, использования гидрогелей в зеленой энергетике и так далее.
Проект продолжает тему, которую ведет научный коллектив под руководством известного ученого-теплофизика, д.т.н., члена-корреспондента РАН Бориса Покусаева. Вообще же научное направление по исследованию свойств гидрогелей на кафедре «Техника низких температур им. П.Л.Капицы» начало развиваться после разработки учеными Д. Некрасовым, Н. Захаровым, С. Карловым нового метода бесконтактной диагностики теплофизических свойств различных веществ и создания экспериментального оптического комплекса, основанного на методе голографической интерферометрии. Кроме этого, научный коллектив имеет большой опыт в исследовании динамики процессов переноса в многофазных системах.
По результатам исследований в этом направлении у Ольги Сулягиной, в соавторстве с учеными кафедры, уже вышли статьи «Research of gel systems stability in relation to additive technologies» в «Journal of Physics: Conference Series» (авторы: Pokusaev B.G., Vyazmin A.V., Karlov S.P., Zakharov N.S., Sulyagina O.A) и «Голографическая визуализация естественной конвекции в структурированных средах» в журнале «Письма в ЖТФ»(авторы: Н.С. Захаров, Б.Г. Покусаев, А.В. Вязьмин, Д.А. Некрасов, О.А. Сулягина, А.А. Мошин).
Новизна выполняющегося проекта, по словам молодого ученого, заключается в развитии, подборе и адаптации специальных оптических методов для исследования гидрогелевых систем, позволяющих изучать теплофизические и массообменные процессы, происходящих в них.
На сегодня, после серии установочных экспериментов, уже разработана методика спектроскопического зондирования оптической проницаемости по глубине слоя на основе метода абсорбционной спектроскопии.
«Благодаря этому методу и разработке новых подходов при работе с гидрогелями были экспериментально установлены зависимости оптической плотности от концентрации компонентов в смесевых гидрогелях и от температуры. Получены данные о скорости диффузионных фронтов веществ и газов, используемых в качестве модельного аналога, в смесевых гелях различного состава. Также получены данные о степени неоднородности и закономерностях роста микроорганизмов при их инкубировании в гидрогель при разных температурных условиях», – рассказывает Ольга.
В результате выполнения гранта планируется найти фундаментальные закономерности о теплофизических и реологических свойствах смесевых гидрогелей на основе совместного использования двух взаимодействующих гелеобразующих веществ.
«Поскольку выбор разных компонентов для формирования геля может существенно изменить условия его образования, это в свою очередь может привести к расширению области применения гидрогелей», – отмечает Ольга.
Также будут представлены методики не инвазивного контроля оптическими методами, адаптированные к работе с гидрогелями.
«Важное значение имеет способ диагностики гелевых систем, – рассказывает Ольга. – При застывании они образуют каркас, его разрушение ведет к изменению свойств. Существует необходимость проводить неинвазивный контроль гелевых объектов, без нарушения их микроструктуры во всем объеме».
Ученый рассчитывает, что изучение селективного поглощения веществ и газов гидрогелями при массообменных процессах поможет разработать новые конструкции микроконтейнеров с гидрогелями для создания аккумуляторов водорода.
Также в планах – усовершенствовать технологии регенеративной медицины, так как гидрогели применяются в качестве основного рабочего материала для биопечати, и повысить эффективность создания биоматериалов и биореакторов для выращивания микробиологических объектов.
По результатам исследований запланирована публикация двух статей (одна из них уже прошла рецензирование), а также выступление с докладом на конференции по теплообмену и массобмену.
