Книга посвящена систематическому изложению методов синтеза, особенностям строения, химическому модифицированию, исследованию свойств и применению основных наноуглеродных материалов: углеродных нанотрубок, графена и детонационного наноалмаза.

Химически модифицированные наноуглероды представляют собой гибридные материалы, физические свойства которых определяются, в основном, природой наночастицы, а химические – составом и строением привитого слоя.

Изложены основные направления практического применения модифицированных углеродных наночастиц и их конъюгатов с биологически активными и лекарственными веществами: селективная сорбция, сенсорика, биовизуализация, фармакология и др. Цитируемый библиографический материал преимущественно охватывает публикации последних 10–15 лет.

Книга адресована широкому кругу научных работников, занимающихся применением и исследованием углеродных наночастиц при решении физико-химических, биомедицинских, технологических и материаловедческих задач. Она представляет интерес и для студентов и аспирантов, обучающихся по специальностям, связанным с нанотехнологиями.

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие

Настоящая книга обобщает один из важных этапов многолетних исследований химии углерода, проводимых на кафедре химии нефти и органического катализа химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Талантливый советский ученый заведующий лабораторией органического катализа с 1968 по 1994 гг. профессор Александр Прокофьевич Руденко (1925—2004), известный своими представлениями о роли и механизмах процессов поликонденсации на поверхности катализаторов и созданной им теорией эволюции каталитических систем, инициировал в 1962 г. расширение экспериментальных исследований в области химии алмаза и других полиуглеродных веществ. Под его руководством доцент И.И. Кулакова вместе с аспирантами и дипломниками изучали процессы окисления алмаза под действием щелочных расплавов-растворов, содержащих ионы как щелочных, так других металлов, химию его поверхности, возможность химического синтеза алмаза из простых углеродсодержащих молекул. В 1990-х гг. эти исследования переросли в обширный комплекс работ по химическому модифицированию поверхности алмазных наночастиц и применению конъюгатов наноалмазов с биологически активными веществами в биомедицине и фармакологии.

Модифицирование поверхности дисперсных углеродных материалов относится к области химии привитых поверхностных соединений — разделу физической химии, который систематически разрабатывается в нашей лаборатории на химическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова.

Важнейшим этапом научного исследования в области привитых поверхностных соединений является выяснение состава и строения привитого слоя. Серьезные трудности возникают при изучении привитых слоев на носителях с низкой величиной удельной поверхности (грубодисперсные материалы, грани монокристаллов, фольга). Подобные образцы содержат на своей поверхности исчезающе малое количество привитого вещества, поэтому подавляющее большинство экспериментальных работ в рассматриваемой области выполнено на объектах, обладающих развитой поверхностью, — углеродных наноматериалах.

Перспективное направление практического применения модифицированных углеродных наночастиц — биомедицина. На основе этих материалов уже разработаны и проходят доклинические испытания средства направленного транспорта лекарственных веществ, сорбенты для связывания токсинов в целях их последующего выведения, селективные мембраны, высокочувствительные биосенсоры и др. В качестве носителей все большее внимание исследователей привлекают углеродные наночастицы — графен, детонационный наноалмаз и нанотрубки.

По нашему мнению, которое подтверждается и литературными данными, для биомедицинских направлений применения наиболее перспективны графен и его оксиды. Поэтому содержание книги имеет явно выраженный уклон в сторону графена и его производных. Детонационный наноалмаз менее токсичен, однако жесткая и трудно управляемая технология его синтеза затрудняют возможность получения продукта с воспроизводимыми свойствами. Кроме того, несколько процентов загрязняющих веществ, неминуемо поступающих в продукт в процессе синтеза, а также наличие неалмазного углерода в продуктах детонации требуют введения в технологию стадий очистки. Тем не менее наноалмаз детонационного синтеза вследствие его доступности и относительной дешевизны более предпочтителен, чем другие виды наноалмазов. В связи с этим мы сочли возможным ограничиться в книге обсуждением именно этой разновидности высокодисперсного алмаза.

Не все аспекты физикохимии углеродных наноматериалов охвачены в книге. Особое место в ряду наноуглеродов занимают фуллерены: их структура уникальна и эстетически совершенна, их можно рассматривать как родоначальников новых классов химических соединений. Поэтому за прошедшие почти 40 лет с их открытия вследствие подключения к их исследованию многочисленных групп ученых возникла огромная область науки — химия фуллеренов. Опубликованы сотни обзоров и монографий, посвященных получению фуллеренов, синтезу их разнообразных производных и поискам направлений практического применения как исходных фуллеренов, так и продуктов их дериватизации (см., например, фундаментальную коллективную монографию Сидоров Л.Н., Юровская М.А. и др. Фуллерены. — М.: Экзамен, 2005. — 690 с.). Поэтому мы сосредоточили внимание на первых трех наноуглеродах и намеренно почти не касаемся фуллеренов.

В книге слабо отражена тематика, связанная с математическим моделированием поверхности и квантово-химическими расчетами; по-видимому, имеются и другие пробелы. Мы будем благодарны читателям за любые замечания и рекомендации.

Цитируемый библиографический материал охватывает преимущественно публикации последних 10—15 лет. В связи со все возрастающим потоком информации нами для удобства читателей приведены достаточно обширные библиографические списки, включающие как оригинальные, так и обзорные работы.

Книга предназначена для широкого круга физикохимиков, материаловедов, фармакологов, биохимиков, химиков-аналитиков, в первую очередь для специалистов, занимающихся применением наночастиц в практике. Она представляет интерес и для студентов и аспирантов, обучающихся по специальностям, связанным с нанотехнол огиями.

Благодарим сотрудников и аспирантов лаборатории химии поверхности Анастасию Викторовну Валуеву, Алексея Владимировича Карпухина, Владимира Владимировича Королькова, Андрея Сергеевича Соломатина, Руслана Юрьевича Яковлева, материалы которых были использованы при написании этой книги, также мы благодарны к.х.н. А.А. Кудринскому и к.х.н. Р.Ю. Яковлеву за помощь в подготовке оригинал-макета книги. Считаем своим долгом выразить искреннюю признательность рецензентам книги — профессору, д-ру химических наук Б.М. Булычеву (МГУ им. М.В. Ломоносова) и профессору, д-ру химических наук А.Я. Фридману (Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН) за полезные обсуждения и замечания.

И.И. Кулакова, Г.В. Лисичкин Август 2024 г.
Лаборатория химии поверхности химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова