M.В. Авдеев

Т.В. Тропин, Х.Т. Холмуродов, М. Ердаулетов

Направление включает в себя изучение структурной устойчивости жидких наносистем, в том числе магнитные наносистемы и системы, связанные с биологией, в различных условиях. Основная цель исследований - сравнение поведения и структурной организации компонент таких систем в объеме и на межфазных границах с помощью комбинированного использования малоуглового рассеяния и жидкостной рефлектометрии тепловых нейтронов. Совместное использование данных методов позволяет выявлять общие черты и различия в поведении частиц и их комплексов в объеме и на межфазных границах. Данная информация необходима для понимания и описания процессов в многокомпонентных коллоидных системах и синтеза устойчивых систем, в том числе медико-биологического назначения, с регулируемыми свойствами. Объекты исследования включают в себя представителей основных классов жидких наносистем: жидкие дисперсии наночастиц (в том числе магнитных наночастиц), растворы органических полимеров и наночастиц в биологических средах; растворы биологических полимеров; липидные мембраны. Отдельный акцент в исследованиях делается на изучение устойчивости коллоидных систем с магнитными наночастицами в объеме и в приповерхностных слоях при помещении их во внешнее магнитное поле. Методические аспекты охватывают: развитие аппаратной базы для проведения экспериментов по рефлектометрии нейтронов на горизонтальных образцах, в том числе содержащих жидкую фазу; адаптацию специализированных ячеек для изучения обозначенных видов систем с помощью рассеяния нейтронов; расширение возможностей малоуглового рассеяния нейтронов.

Структурные исследования дисперсных систем, в том числе систем, связанных с медико-биологическими разработками, традиционно развиваются в ЛНФ. Так, при использовании метода малоуглового рассеяния нейтронов предложен ряд оригинальных подходов в проведении и интерпретации экспериментов по вариации контраста для дисперсных систем. В частности, предложен метод модифицированных базисных функций по обработке данных вариации контраста в экспериментах малоуглового рассеяния для наносистем с неоднородными полидисперсными частицами, включая магнитные частицы. С 2013 г. в ЛНФ действует многофункциональный нейтронный рефлектометр с горизонтальной плоскостью образца GRAINS на модернизированном реакторе ИБР-2 (Рис.1). Базовая конфигурация рефлектометра позволяет изучать жидкие объекты на различных границах раздела.

Рис. 1. Принципиальная схема рефлектометра GRAINS.

В ходе недавних работ исследовано влияния внешнего электрического поля на адсорбцию магнитных наночастиц на планарных границах раздела из диэлектрических магнитных жидкостей. Последние используются в качестве термолизующих добавок в высоковольтных трансформаторах. Изучалась магнитная жидкость на основе трансформаторного масла с наночастицами магнетита, покрытыми одиночным слоем поверхностно-активного вещества (олеиновая кислота). Магнитная жидкость находилась в контакте с медным тонкопленочным электродом, напыленным на монокристаллический кремний. С помощью нейтронной рефлектометрии (рефлектометр ГРЭИНС) на поверхности электрода обнаруживается формирование нескольких слоев из магнитных наночастиц (Рис. 2). С ростом напряженности поля приповерхностная структура испытывает нетривиальные изменения в послойном распределении плотности, что качественно согласуется с обнаруженными ранее неоднородностями, возникающими в объеме диэлектрических магнитных жидкостей под действием внешнего электрического поля.

Рис.2. Послойный анализ распределения наночастиц из диэлектрической магнитной жидкости на планарной поверхности медного электрода при воздействии внешнего электрического поля (перпендикулярно поверхности) по данным нейтронной рефлектометрии.

Обнаружена (Рис. 3) противоамилоидная активность дисперсий фуллеренов C60 и C70 в 1-метил-2-пирролидоне (NMP). Исследования проведены в модельных водных растворах амилоидных фибрилл, полученных из лизоцима и инсулина. Использован комбинированный подход с привлечением различных экспериментальных методов. Для мониторинга деагрегационной активности фуллеренов применялся флуоресцентный анализ тиофлавина Т и атомно-силовая микроскопия (АСМ). Было показано, что оба типа комплексов на основе фуллерена очень эффективны в разрушении предварительно сформированных фибрилл и характеризуются низкой концентрацией деагрегации (DC50), ~ 22-30 мкг / мл. Малоугловое рассеяние нейтронов (МУРН) использовалось для контроля различных стадий процесса разрушения фибрилл, включая определения размера и морфологии агрегатов. На основании полученных результатов был предложен возможный механизм разрушения амилоидных фибрилл, взаимодействующих с комплексами фуллерен / NMP. Эти исследования являются важным шагом в понимании механизма разрушения фуллеренами белковых амилоидов в живых организмах, а также дает ценную информацию о том, каким образом могут быть сконструированы макромолекулы для разрушения нежелательных амилоидных агрегатов с привлечением различных механизмов.

Рис.3. Разрушение амилоидных фибрилл при взаимодействие с фуллеренами из дисперсии в NMP. Данные МУРН (установка ЮМО, ИБР-2), АСМ и контроль флуоресценции.

Исследована структура бинарных жидких наноуглеродных систем, полученных при смешивании гидрозоля детонационного наноалмаза и водных дисперсий однослойного оксида графена. Данные малоуглового рассеяния нейтронов (МУРН) убедительно подтверждают двумерную структурную организацию листов оксида графена, а также тот факт, что они состоят из единого слоя типа графена (Рис. 4). Исследованы размеры и пространственное распределение кластеров наноуглерода, образующихся при взаимодействии компонент в водных средах. На основании анализа данных рассеяния сделан вывод о связывании отдельных частиц наноалмаза, а также их малых фрактальных кластеров вместе с однородным и случайным распределением вдоль графеновых плоскостей, что подтверждается данными просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) высушенных образцов. Наблюдаемый эффект может существенно модифицировать структуру наноуглеродных композитов, образованных наноалмазом и оксидом графена, определенным образом выравнивая графен при сушке смеси.

Рис.4.  (слева) МУРН на водных дисперсиях оксида графена, детонационного наноалмаза и их смеси. На вставке приведены данные ПЭМ. (справа) Отдельно показана чувствительность методов ПЭМ и МУРН к структуре тонких слоев графена. Наличие наноалмазов на поверхности листа графена увеличивает как толщину, так и плотность с точки зрения МУРН.

Публикации:

1. Karpets M., Rajnak M., Petrenko V., et al., Electric field-induced assembly of magnetic nanoparticles from dielectric ferrofluids on planar interface. Journal of Molecular Liquids, 362, 119773 (2022). Doi:10.1016/j.molliq.2022.119773
2. Siposova K., Petrenko V.I., Ivankov O.I., et al., Fullerenes as an Effective Amyloid Fibrils Disaggregating Nanomaterial, ACS Appl. Mater. Interfaces 12(29), 32410-32419 (2020). Doi:10.1021/acsami.0c07964
3. Tomchuk O.V., Avdeev M.V., Dideikin A.T., et al., Revealing the structure of composite nanodiamond–graphene oxide aqueous dispersions by small-angle scattering, Diamond Related Materials 103, 107670 (2020). Doi:10.1016/j.diamond.2019.107670