Лабораторию построили в связи с развитием новых научных направлений ― в частности, в конце 2022 года в университете была создана новая научная группа «Хемотроника и интерфейсы». Ее руководителем стал ведущий научный сотрудник ИТМО, участник программы ITMO Fellowship Евгений Смирнов. Новая лаборатория площадью 300 квадратных метров позволит вместить больше оборудования и предоставить больше рабочих мест для студентов. Она включает пять блоков: инженерную комнату, офис, а также отдельные сегменты, предназначенные для исследований в области органической, неорганической и электрохимии. 

Лаборатория оснащена современным оборудованием: спектрометром для регистрации электронно-парамагнитного резонанса (ЭПР), который анализирует органические молекулы и позволяет увидеть неспаренные электроны в молекулах (например, органические радикалы); ИК-спектрометром для изучения колебаний отдельных групп в молекулах (с его помощью можно определить состав молекул); атомно-силовыми микроскопами, которые позволяют «ощупать» поверхность на наноуровне и визуализировать ее микроструктуру в 3D с помощью специального зонда; прибором для измерения размера и дзета-потенциала коллоидных растворов, чтобы оценивать стабильность этих растворов за счет рассеяния лазерного излучения.

Также исследователи получат доступ к более широкому парку потенциостатов — электронных приборов, которые обеспечивают поддержку и контроль заданного потенциала в изучаемой электрохимической системе (раствор или тонкие пленки электролитов). Кроме того, ученые планируют самостоятельно изготавливать ультрамикроэлектроды (UME) и модифицировать их поверхность для широкого спектра применений.

Что будут изучать в новой лаборатории

В лаборатории будут проводить эксперименты по органической, неорганической, физической химии, а также электрохимии. Например, создавать тончайшие пленки толщиной всего несколько единиц и десятков нанометров из самособирающихся ансамблей наночастиц. Ученые ИТМО уже работают в этом направлении и могут придавать любой размер и форму частицам, а также осаждать их на различные материалы. Это позволяет создавать пленки с заданными свойствами и использовать их как основу для сенсоров нового поколения — например, в рамановской спектроскопии (группа методов, которая позволяет зарегистрировать рассеянный свет от того или иного вещества) для проведения качественного и количественного анализа образцов в очень низких концентрациях ― наномоли и ниже, вплоть до отдельных молекул.

Более того, такие пленки можно использовать в оптике — например, в качестве нагревательного элемента в зеркалах и очках. Такие материалы позволяют предотвратить конденсацию пара на холодных поверхностях. Обычно влага на очках образуется, если зайти в теплое помещение с холода. А если затем выйти обратно на холод, то конденсат превратится в корку льда, что не очень удобно и в некоторых случаях небезопасно — например, во время геологической разведки в Арктике. Разработка ученых ИТМО поможет решить эту проблему.

Сенсоры и новые материалы

Сейчас исследователи ИТМО при поддержке Российского научного фонда разрабатывают сенсорную платформу, которую можно будет применить для анализа различных экотоксикантов (вредных химических веществ, устойчивых в природных условиях), поиска маркеров болезней и опасных веществ в зависимости от модификации поверхности. В основе работы такого устройства также лежит рамановская спектроскопия. Особенностью метода является получение спектров с «отпечатками пальцев» молекул, как в криминалистике, по которым можно их идентифицировать, а интенсивность линии указывает на концентрацию вещества. Этот метод позволяет проводить не только качественный, но и количественный анализ образцов. Однако интенсивность рассеянного света от вещества очень мала, и чтобы ее зарегистрировать, нужны усиливающие подложки — в ИТМО их делают из упорядоченных наночастиц золота и серебра. Усиление сигнала как раз и происходит на шероховатой упорядоченной поверхности таких пленок.

Чтобы повысить чувствительность сенсора на основе пленок из наночастиц, пленки модифицируют, добавляя на поверхность те молекулы, которые будут селективно реагировать на конкретное вещество или класс таких веществ. Текущий проект нацелен на обнаружение фенольных соединений в природном сырье. В популярном сегодня растительном белке фенолы влияют на вкус и цвет продукции, поэтому важно контролировать их содержание на каждой стадии процесса изготовления.

Помимо этого, ученые продолжат уже начатый проект по исследованию свойств и применению 2D-материалов ― в частности, MXene (слоистый карбид титана) и графеноподобных материалов. Обычно синтез таких материалов дает частицы размером от сотен нанометров до десятков микрон в диаметре при толщине всего пару нанометров. Такие частицы обладают полезными для ряда применений физико-химическими свойствами. Например, проводимость MXene изменяется в зависимости от степени окисления и природы поверхностных групп — благодаря этому материал уже сейчас находит применение в хемотронных устройствах и искусственных нейронах, а в дальнейшем может стать основой для нейронных сетей и перцептронов.

Другие двумерные материалы — графен и графеноподобные аналоги — в будущем смогут заменить кремний в микроэлектронике из-за особенностей электрической проводимости. Это связано с тем, что проводимость зависит от степени окисления и формы листа графена, которую можно вырезать ионным пучком. Чтобы такое использование графена стало возможным, необходимо создавать пленки из его отдельных чешуек и научиться переносить их на различные поверхности и подложки размером в десятки квадратных сантиметров. Для этого в лаборатории ИТМО будут разрабатывать подходы к самосборке 2D-материалов и их переноса на подложки с помощью «аквапринта» — технологии нанесения рисунка на различные объекты с помощью границы вода-воздух.

В 2023 году исследователи ИТМО планируют начать коллаборацию с Институтом физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина по изучению другого двумерного материала — полупроводника MoS₂, который также применяют для создания сенсоров и наноэлектроники. Например, если из его плотноупакованных частиц собрать большое покрытие и перенести его на твердую поверхность, например, из стекла или кремния, а затем потоком электронов или ионов, как лазером, вырезать необходимую электрическую цепь, то можно получить основу для наноэлектроники без использования дорогих литографических масок.

Фудтех и биотехнологии

В новой лаборатории планируют заниматься не только химическим направлением, но и проводить исследования в сфере фудтеха и биотехнологий. Одна из перспективных тем — изменение вкуса. Совместно с сотрудниками Сибирского федерального университета исследователи ИТМО планируют изучить, как с помощью методов коллоидной химии можно замаскировать или, наоборот, раскрыть вкусовые характеристики продуктов. Также ИТМО сотрудничает с компанией «Уралхим Инновация» по разработке растительных продуктов на основе горохового белка. Для обоих проектов важны знания как в коллоидной химии и химии поверхности, так и биотехнологиях.

Екатерина Скорб, руководитель лаборатории и профессор Научно-образовательного центра инфохимии:

«Под зонтиком инфохимии мы собираем все актуальные области на стыке наук о жизни и информационных технологий: это и линейка вычислительных методов для расчета электронной структуры в квантовой химии и молекулярной динамики, и реакционно-диффузионные модели, и хемометрика, хемоинформатика, трибоинформатика (научная область, которая изучает трение и взаимодействие твердых поверхностей с помощью искусственного интеллекта и больших данных ― прим.ред.), использование ИИ в химии и материаловедении, цифровизация разных областей ― от материалов регенеративной медицины до пищевых технологий, сельского хозяйства и нефтепереработки, а сейчас и хемотроника. Долгосрочные задачи в каждой группе связаны с созданием новых рынков. В краткосрочных планах — развитие базовых технологий за счет фундаментальных исследований и  создание на их основе продуктов и материалов уже в ближайшее время»  

Акцент на студентов

При этом Екатерина Скорб подчеркивает, что в первую очередь новая лаборатория создана для студентов. Предполагается, что новое научное подразделение станет площадкой для проведения исследований, которые лягут в основу выпускных квалификационных работ в виде научной статьи. Также свои исследовательские проекты в лаборатории смогут выполнять и школьники ― участники всероссийской образовательной инициативы «Сириус.Лето».

Евгений Смирнов, профессор, ведущий научный сотрудник НОЦ инфохимии:

«Мы планируем даже внедрить формат Friday Fun — выделить время в пятницу или субботу вечером, когда студенты могут проводить в лаборатории свои собственные эксперименты. Например, я когда-то добывал сок из малины и клубники и сравнивал цвет получившихся жидкостей на спектрометре — разница на глаз была всего в полтона, но эти соки поглощают цвет в совершенно разных, иногда неожиданных частях спектра. Это не только весело, но и может стать дорогой в большую науку. Так, физики Андрей Гейм и Майкл Берри получили Шнобелевскую премию за свой эксперимент с летающей лягушкой в магнитном поле со сверхпроводником. Звучит немного дико: прикрепить магнит к лягушке, а затем посмотреть, что с ней будет происходить в магнитной левитации над сверхпроводником. Позже Андрей Гейм с его учеником Константином Новоселовым скотчем отслоили графен от грифеля обычного карандаша, за что получили Нобелевку. Надеюсь, что наши студенты будут такими же любознательными и претворят свои идеи в жизнь!».