На уровень нано

Говорить о науке можно по-разному


Говорить о науке можно по-разному. Специалисты предпочитают язык сухих цифр и точных графиков, но есть и другой способ. Яркая и выразительная научная иллюстрация — один из самых старых и действенных методов популяризации науки, а благодаря развитию технического прогресса у нее появились неведомые ранее фантастические возможности

Сегодня визуализировать научный факт можно с помощью электронной микроскопии, высококачественной микро- и макросъемки, а также средствами компьютерного моделирования. Используя эти методы, ученые смогли заглянуть в святая святых клетки — ее ядро; рассмотреть сложную и изысканную архитектуру рукотворных нанообъектов и кремнистых панцирей представителей байкальского планктона; построить траектории движения заряженных частиц в циклических ускорителях; получить картину выделения высокоскоростного потока «магматических бомб» из «кипящей магмы» экспериментального вулкана…

С помощью подобных уникальных изображений (см. выше) мы попытались приобщить широкие читательские круги к актуальным и сложным научным вопросам, которыми занимаются сегодня ученые Сибирского отделения РАН.

При сжигании углей в пылевидном состоянии из их минеральной части образуются летучие золы.

В состав зол входят микросферы, формирующиеся при высокой температуре из капель расплавов различных минералов: полые алюмосиликатные микросферы — ценосферы и ферросферы с высоким содержанием железа.

Размеры микросфер варьируются от нескольких до сотен микрон. Различается также их химический и фазовый состав и, соответственно, их структура и свойства. Стеклокристаллическая поверхность микросфер покрыта причудливыми рисунками, образованными кристаллами вторичных минералов. Эти красивые микроскопические образования, выделенные из отходов энергетики, могут иметь практическое применение для дезактивации опасных промышленных отходов, а также в качестве замены дорогих синтетических микросферических материалов.

Так, разделив ценосферы и ферросферы по размеру, плотности и магнитным свойствам, можно получить микросферические продукты с прогнозируемыми характеристиками. На их основе в красноярском Институте химии и химической технологии СО РАН в сотрудничестве с рядом других академических институтов Сибирского отделения и предприятий Росатома были разработаны новые функциональные материалы.

Например, на основе ценосфер созданы полифункциональные пористые матрицы и порошковые высокоспецифичные сорбенты для отверждения жидких радиоактивных отходов в минералоподобных формах, которые могут храниться в глубоких хранилищах миллионы лет.

Кроме того, с применением ценосфер разрабатывается диффузионно-мембранная технология выделения гелия из природного газа, в основу которой положен эффект избирательной проницаемости полых стеклокристаллических глобул по отношению к легким газам.

Перспективным направлением является также создание на основе микросфер энергетических зол сенсибилизаторов эмульсионных взрывчатых веществ, аффинных сорбентов для использования в биологии и медицине, катализаторов окислительного превращения метана в ценные химические продукты, эффективных порошков для пожаротушения.

Уголь… в медицине

И это — не мечты далекого будущего. Сегодня ученые Института химии и химической технологии СО РАН и Института биофизики СО РАН на основе магнитных микросфер, полученных из летучих зол угля, создали эффективные многоразовые сорбенты для выделения биологических молекул.

Для чего это надо?

Очень часто в современных биомедицинских или биотехнологических исследованиях перед учеными стоит задача извлечь нужные биологические молекулы из раствора. В научных изысканиях это могут быть вещества, которые нужны для дальнейших анализов. В медицинской практике — соединения, которые используются для диагностики того или иного заболевания.

Для выделения белков обычно используют различные сорбенты — материалы, избирательно поглощающие из окружающей среды определенные соединения.

В последнее время для выделения рекомбинантных белков из раст­вора стали применять частицы, на поверхность которых нанесены ионы переходного металла. При фильтрации жидкости через смесь сорбирующих частиц заряженные атомы металла удерживают биологические молекулы и связывают их с сорбентом. Для производства таких частиц используют полученные синтетическим путем микросферы.

Микросферы — это небольшие (десятки микрон) шарики. В качестве слоя-ловушки на поверхности микросферических частиц используют ионы никеля, цинка или других тяжелых металлов. Недостатком таких сорбентов является их нестабильность. Если заряженные ионы слабо связаны с поверхностью шарика-сорбента, то использовать его несколько раз невозможно. После каждой фильтрации образца сорбент необходимо «перезарядить».

Таким образом, в технологии получения подобных сорбентов есть два ключевых технологических этапа: получение шариков-носителей и прочное связывание ионов металлов с поверхностью микросфер.

Красноярские ученые предложили оригинальное решение для обоих этапов. Как отмечает Татьяна Верещагина, сотрудник лаборатории каталитических превращений малых молекул Института химии и химической технологии СО РАН, д.х.н.

— В своей работе мы, по сути, пытаемся из отходов получить функциональные материалы. Данное исследование — один из успешных примеров. Микросферы, содержащие железо, входят в состав летучих зол, которые образуются при сжигании угля. Их отличительная черта — наличие магнитных свойств. Ранее мы научились выделять из летучей фракции угольной золы микросферы близкого состава и размера. Для получения белковых сорбентов было необходимо модифицировать поверхность частиц и добиться прочного связы

вания ионов никеля с поверхностью микросфер. В результате мы получили многоразовый материал. Наши микросферы сохраняли способность связывать белок после нескольких применений.

Для получения сорбирующих микросфер сначала у частиц, выделенных из угольной золы, изменили свойства поверхности. В работе представлено несколько методов модификации. Вне зависимости от подхода результат таких усовершенствований — это частица, которая сохраняет железосодержащее магнитное ядро и, соответственно, свои магнитные свойства и имеет пористую поверхность. На следующем этапе новые свойства поверхности использовали для прочного закрепления на ней ионов никеля. Полученный материал использовали для выделения из раствора зеленого флуоресцентного белка. Флуоресцентные белки широко используют в качестве светящихся меток для изучения процессов в клетках и для создания средств диагностики различных заболеваний.

Например, недавно сибирские ученые предложили использовать светящиеся метки для диагностики клещевого энцефалита и рассеянного склероза. Магнитные частицы, заряженные ионами никеля, сохраняли свою способность связывать флуоресцентный белок в нескольких последовательных фильтрациях образца.

По словам Людмилы Франк, доктора биологических наук, сотрудника лаборатории фотобиологии Института биофизики СО РАН, одного из соавторов работы, полученные сорбирующие частицы имеют два основных преимущества, а именно у них есть магнитные свойства и они стабильны:

— Обычно для каждого выделения белков мы либо используем новый картридж, заполненный микрочастицами, либо нам приходится перезаряжать использованный картридж. С новым материалом резко сократится стоимость таких исследований. Это особенно актуально сейчас, когда величина затрат на импортные расходные материалы для высокотехнологичных научных исследований увеличивается в разы.

Магнитные свойства микросфер также упрощают процедуру выделения белков. Вместо того чтобы фильтровать образец через слой частиц, упакованных в колонку (классический вариант хроматографии), можно просто перемешать суспензию частиц в растворе, а потом собрать частицы на дне сосуда, приложив к нему магнит.

Разработанный метод может быть использован при производстве сорбентов для биотехнологических целей. Доступность и большие запасы полуфабриката (летучая угольная зола) в принципе позволяют развернуть укрупненное производство сорбента в короткие сроки. Такие материалы будут востребованы как при проведении современных биохимических исследований, так и в области биотехнологии и биомедицины.

Леонид Алексеев
Дополнительный источник:
sib-scitnce.info
scfh.nsu.ru


Юрист Сухининой