Коллектив ЮФУ разработал инновационную микрофлюидную систему, способную работать под высоким давлением и контролировать состояние катализатора и продукты с помощью спектральных методов. Эта инновационная разработка открывает новые возможности для более быстрого и эффективного синтеза материалов, используемых в клеях, высокоэффективных пластмассах, растворителях и моющих средствах.
Схема микрофлюидной системы высокого давления / © личный архив Еид Махмуда Эльсайед Абдельазиз, пресс-служба ЮФУ
Синтез химических соединений — это процесс создания новых веществ из исходных материалов. Существует множество способов управлять параметрами химической реакции, из которых наиболее перспективным является микрофлюидика. Микрофлюидные технологии ориентированы на управление потоками жидкостей и газов на микроскопическом уровне внутри капилляров с диаметром менее одного миллиметра.
В отличие от традиционных методов синтеза в колбе, микрофлюидика позволяет работать с объёмами реагентов в диапазоне от микролитров до пиколитров, осуществлять быстрое перемешивание (порядка миллисекунд) и увеличивать площадь контакта двух несмешивающихся фаз (например, газ-жидкость). Благодаря этому создаются материалы с очень точным контролем состава, морфологии, структуры.
«Прежде всего, микрофлюидика как метод синтеза имеет много преимуществ перед традиционными методами. Она позволяет точно контролировать условия реакции, такие как давление, температура и скорость потока, что улучшает кинетику реакции и увеличивает выход продукта. Использование даже взрывоопасных смесей газов является безопасным в условиях тонких капилляров. Высокое давление и большая площадь контакта с жидкостью повышают эффективность насыщения раствора молекулами синтез-газа и тем самым ускоряют химическую реакцию. Кроме того, некоторые реакции протекают только при высоких давлениях и температурах, например гидроформилирование, которое ранее не исследовалось в этом режиме с помощью рентгеноспектральных методов», – отметил постдок ЮФУ из Египта Еид Махмуд Эльсайед Абдельазиз.
Махмуд Эльсайед Абдельазиз — молодой ученый родом из Египта. С октября 2023 года он активно работает в Международном исследовательском институте интеллектуальных материалов ЮФУ по программе постдоков в рамках Программы развития «Приоритет-2030»(нацпроект «Наука и университеты») и под руководством доктора физико-математических наук Александра Гуды.
Тематика его исследования связана с проектом «Форсаж материалов» федеральной программой «Приоритет-2030», в рамках которой он занимается расширением области применимости микрофлюидных систем на высокие давления. Совместно с коллегами из МИИИМ и МГУ (группа кандидата химических наук Д. Горбунова) Махмуд Эльсайед Абдельазиз разработал новую микрофлюидную систему и ячейку для проточной диагностики реакционной смеси методами рентгеновской и Рамановской спектроскопии. Эта разработка обладает рядом ключевых особенностей, которые отличают её от существующих аналогов.
Система построена на химически инертных капиллярах, изготовленных из материала PEEK, и обеспечивает постоянное и стабильное давление в процессе синтеза за счет специального регулятора обратного давления, который является модернизацией зарубежного коммерческого аналога, реакции гидроформилирования [каталитическое присоединение, используемое для производства альдегидов из алкенов]. Ячейка in-situ диагностики является универсальной и позволяет контролировать как состояние катализатора методом спектроскопии рентгеновского поглощения (XAS), так и концентрацию продуктов реакции методами Рамановской спектроскопии. Ячейка in situ измерений, а также высокоточные шприцевые насосы для подачи реагентов под давлением были изготовлены в институте.
«Система обладает рядом преимуществ: она ускоряет кинетику реакций, обеспечивает равномерное перемешивание, снижает риск опасных реакций и позволяет получать немедленную обратную связь. Эти характеристики делают ее особенно полезной в производстве альдегидов и спиртов, используемых в дальнейшем во многих отраслях химического производства при производстве растворителей и моющих средств», – отметил доктор физико-математических наук, доцент, заместитель директора МИИ ИМ ЮФУ Александр Гуда.
Научная работа, опубликованная в журнале Q1 Industrial & Engineering Chemistry Research, описывает успешное применение системы для анализа каталитической реакции в присутствии комплексов Rh/амин, активных в восстановительном гидроформилировании олефинов с получением спиртов. Как показали экспериментальные исследования и теоретическое моделирование, в условиях гидроформилирования наличие аминов препятствует формированию нанокластеров родия и приводит к образованию мономеров и димеров родия, координированных атомом азота.
На следующем этапе проекта ученые планируют создание металлического газожидкостного сепаратора для отбора проб под высоким давлением и использование комбинационного рассеяния света in situ для скрининга параметров реакции. Обновления позволят проводить сотни измерений за короткие сроки, что позволит использовать методы машинного обучения для управления параметрами реакций.
Махмуд Эльсайед Абдельазиз также отметил, что созданные в МИИИМ ЮФУ условия сыграли важную роль в поддержке данного исследования, предоставив необходимые ресурсы и благоприятную среду для работы. В институт его пригласил профессор, доктор физико-математических наук, заведующий фронтирной лабораторией рентгеноспектральной нанометрологии Центра наукоемкого приборостроения ЮФУ, научный руководитель направления «Науки о материалах и синхротронно-нейтронные исследования» ЮФУ Александр Солдатов для участия в разработке новых подходов к ускоренному производству функциональных материалов под управлением искусственного интеллекта.
Работа в ЮФУ позволила достичь значительных успехов в разработке и тестировании новой микрофлюидной системы, а её признание на международном уровне дополнительно подчеркивает актуальность инноваций в области микрофлюидики и их потенциал для продвижения исследований на стыке науки и промышленности, особенно в производстве специализированных химикатов.
