От создания наноматериалов до изучения магнитного поля Земли: в «Сириусе» завершилась проектная химическая смена СПбГУ

Синтез красителей и лекарств, получение новых полимерных мицеллярных катализаторов и изготовление функциональных чипов ― такие темы для своих исследовательских работ выбрали участники четвертой проектной смены по химии в образовательном центре «Сириус», организованной преподавателями СПбГУ (Институт химии) при волонтерской поддержке студентов и аспирантов.

На обучение в рамках программы претендовали около 1400 талантливых учеников 9–11 классов — победителей и призеров Всероссийской олимпиады школьников и других крупных интеллектуальных соревнований, но только 57 лучших из них стали участниками химической смены в «Сириусе». Для того чтобы будущие химики могли осознанно подойти к выбору своей исследовательской работы, за десять дней до начала смены на сайте «Сириуса» были размещены краткие презентации и аннотации предполагаемых проектов, восемь из которых были подготовлены преподавателями-химиками, а две — физиками Университета. В заключительный день смены состоялась научно-практическая конференция, на которой участники представили результаты своих исследований.

В этом году в программу впервые была включена стажировка учителей, которые, как и юные участники сессии, прошли жесткий отбор: из 300 человек, подавших заявки, конкурс прошло шестеро.

По итогам презентации проектов первое место было отдано проекту «Современные синтетические методы в химии: путь от колбы к чипу», работу над которым возглавлял доцент СПбГУ Владимир Михайлов. Экспериментальное исследование включало разработку архитектуры микрофлюидного устройства с использованием современных систем автоматизированного проектирования. Участники проекта получили навыки изготовления функциональных чипов из стекла и силиконовых материалов на основе матрицы собственной разработки, выполненной с применением аддитивных технологий фотополимерной 3D-печати. Также в рамках ознакомления с практической стороной современной органической химии школьники синтезировали катализаторы на основе карбеновых комплексов меди и провели оценку каталитической способности этих соединений в условиях реакции азид-алкинового циклоприсоединения.

Руководителем проектной смены стала профессор Университета и преподаватель химии Академической гимназии имени Д. К. Фаддеева доктор химических наук Анна Карцова.

Второе место разделили команды доцента СПбГУ Александра Ванина («От ионов и молекул к магнитным наночастицам и далее к функциональным материалам на их основе») и научного сотрудника Университета Александра Иевлева («Ядерный магнитный резонанс в земном поле»).

Участники первого проекта познакомились с подходом «снизу вверх» при создании наноматериалов, суть которого заключается в направленном химическом синтезе из ионов и молекул частиц нанометрового размера и последующем приготовлении коллоидных систем. Ребята синтезировали наночастицы магнетита Fe3O4 и ферритов MFe2O4 (марганцевого и кобальтового), получили магнитные жидкости и сорбент на основе альгината кальция («белая икра») в виде шариков диаметром 1,5–2 мм. Введение наночастиц магнетита, стабилизированных лимонной кислотой, в водный раствор альгината натрия позволило получить магнитный сорбент (магнитная «черная икра»).

Школьники, изучавшие работу с основными методами ядерного магнитного резонанса — одного из самых мощных инструментов для неразрушающего изучения как физико-химических свойств различных веществ, так и исследования самой структуры вещества, провели цикл экспериментальных работ в рамках проекта по ЯМР в земном поле. Участники сессии освоили работу с приборами — ядерно-резонансными магнитометром и спектрометром, работающими в слабых магнитных полях, научились настраивать и контролировать работу экспериментальной установки, находить сигнал ЯМР, добиваться оптимальных режимов работы, регистрировать спектры ЯМР в земном магнитном поле, вычислять некоторые характеристики веществ, а также получать карты магнитного поля Земли.

Третье место было присуждено проекту доцента СПбГУ Петра Фетина «Полимерные мицеллярные катализаторы в реакциях гидролиза». Его целью стало получение новых полимерных мицеллярных катализаторов, с использованием сополимеризации поверхностно-активных мономеров с мономерами различной гидрофобности. Определение влияния доли сомономера на мицеллярно-каталитические свойства продукта. В ходе выполнения проекта участники получили растворимые в воде, а также гидрогелевые структуры (ограниченно набухающие в воде) гомо- и сополимеров АУТА-Br с мономерами различной функциональности. Для изучения каталитической активности полученных соединений использовали модельную реакцию щелочного гидролиза п-нитрофенилбутирата.

Работая над получением катализаторов, школьники приобрели опыт применения современных спектральных методов исследования органических веществ и изучения кинетики химических реакций.

В процессе химической смены школьники занимались исследовательской работой по таким темам, как «Получение микро- и нанодисперсных материалов и их использование», «Сравнение различных способов пробоподготовки при определении подвижных форм металлов в почвах» и «Хроматографический профиль антиоксидантов лекарственных и субтропических культур для контроля биотехнологических подходов». Многих участников сессии заинтересовал проект «Разделение ионов редкоземельных элементов методами ионно-обменной хроматографии», но наибольший интерес привлекла тема «Органический синтез в действии: красители, люминофоры и лекарства» — заявки на работу именно в этой группе подали 32 из 57 участников смены.