Сотрудники межкафедральной лаборатории сверхкритических флюидов химического факультета МГУ применили спектроскопию электронного парамагнитного резонанса, чтобы понять процессы, происходящие в одной из самых перспективных для химии сред – сверхкритических флюидах. Это состояние вещества, при котором исчезает различие между жидкостью и газом. Работа опубликована в журнале Polymers.

Вещества переходят в состояние сверхкритических флюидов при температуре и давлении выше критических – максимальных значений, при которых еще существуют газ и жидкость как две отдельные фазы. В сверхкритическом состоянии вещество обладает свойствами, промежуточными между газом и жидкостью. При нахождении вещества в этом состоянии небольшое изменение давления и температуры кардинально влияет на растворимость, реакционную способность, диффузию веществ. Например, при увеличении давления полярность воды резко уменьшается: сверхкритическая вода становится способна растворять масло.

– В качестве сверхкритического флюида наиболее часто применяется диоксид углерода, – рассказала д.х.н., ведущий научный сотрудник кафедры химической кинетики, заведующая межкафедральной лабораторией «Центр сверхкритических флюидов» Елена Голубева. – Это вещество обладает хорошими, относительно легко достижимыми значениями сверхкритических температуры и давления. Часто, используя сверхкритический CO2, проводят экстракцию, например, извлекают кофеин из кофе, получают медицинский никотин. При достаточно мягких условиях (температура порядка 40 оС) сверхкритический диоксид углерода обладает высокой проникающей способностью и заходит даже в самые маленькие поры, заполняя их нужными веществами или вытаскивая из них все, что нужно. И самое главное – он очень легко удаляется простым сбросом давления. Поэтому диоксид углерода – очень «зеленый» растворитель, использование которого наносит совсем небольшой вред окружающей среде и здоровью человека по сравнению с традиционными органическими растворителями.

Исследовать процессы при закритических параметрах сложно, поскольку нужно работать с повышенными температурой и давлением. Поэтому в большей части работ до недавнего времени изучается состояние системы до применения сверхкритических флюидов и после завершения работы с ними.

– Наша кафедра много лет специализируется на спектроскопии электронного парамагнитного резонанса, – пояснила Елена Голубева. – Этот метод позволяет различать молекулы не только по химическому составу, но и по целому ряду физических свойств: ориентации частиц друг относительно друга, движению частиц. Мы получаем информацию о микродинамике, микрополярности, микроокружении парамагнитных центров. Поэтому нам очень хотелось применить этот метод, чтобы in situ наблюдать за процессами в сверхкритических флюидах.

В итоге авторам совместно с сотрудниками ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» удалось создать реактор, позволяющий снимать спектры ЭПР в сверхкритических флюидах.

– Пока мы попробовали изучить процессы диффузии маленьких молекул в полимеры, — рассказала Елена Голубева. – Сейчас мы можем оценить, сколько вещества заходит в полимер, как оно высвобождается, что происходит с частицами внутри полимера (как они двигаются, какие есть области концентрирования). Эти знания важны, поскольку нет необходимости проводить многочисленные эксперименты для получения желаемого результата. Теперь можно узнать точные параметры процесса, с помощью которых достигается определенная насыщенность полимера. Также можно убедиться, что полимер хорошо, равномерно пропитан нужным веществом.

Растворение веществ в сверхкритических флюидах – очень востребованный процесс. Например, его можно использовать для создания временных протезов, выделяющих при разложении полезные вещества: факторы роста, антибиотики, нестероидные противовоспалительные препараты. Такие протезы должны быть прочными, но при этом рассасывающимися со временем. Для разработки таких протезов важно, чтобы в «зеленых», чистых условиях полимер можно было пропитать полезными веществами при помощи растворителя.

Еще одна область применения – разработка систем доставки лекарств в организм. Например, создание таблеток, из которых лекарства высвобождаются постепенно и в определенные промежутки времени. Третья область — разработка послеоперационных компрессов, которые способны систематически выделять необходимые лекарства.

– Пока мы посмотрели только на диффузионные процессы, но в дальнейшем планируем развивать новый подход, применять его к изучению химических реакций в сверхкритических флюидах, – рассказала Елена Голубева. – Также интерес представляют процессы, происходящие со сверхкритическими флюидами при сбросе давления. Мы планируем начать заниматься этим в самое ближайшее время и надеемся, что сможем многое узнать о сверхкритических процессах благодаря предложенному подходу.