Ученым ОИЯИ в составе научной команды совместно с коллегами из исследовательских центров Москвы и Санкт-Петербурга удалось синтезировать и описать новые соединения редкоземельных элементов. Обладающие уникальными свойствами соединения в будущем могут позволить создать инновационные системы для оценки состояния воздуха, а также для медицинской диагностики.

Необходимость создания новых химических соединений и материалов, с заданными функциональными свойствами обусловлено современными вызовами общества. Роль первой скрипки здесь, конечно же, отведена ученым-химикам, которые исходя из требуемых свойств материала подбирают его состав и условия синтеза.

Так, например, многие соединения редкоземельных элементов с органическими кислотами обладают уникальными люминесцентными и магнитными свойствами. Удивительно, но соединения редкоземельных элементов с молочной кислотой, которая относится к так называемым α-гидроксикислотам, были предсказаны химиками-теоретиками более 50 лет назад, однако в виде индивидуальных соединений их синтезировать до сих пор никому не удавалось.

Коллектив ученых из Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН, совместно с коллегами из Петербургского института ядерной физики НИЦ «Курчатовский институт», Национального исследовательского университета Высшей школы экономики, Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева и Лаборатории нейтронной физики им. И. М. Франка Объединенного института ядерных исследований осуществил синтез нового кристаллического лактата иттрия, а также аморфного лактата иттрия, имеющего чрезвычайно необычную структуру.

Полученные новые соединения могут послужить основой новых люминесцентных тест-систем для обнаружения органических соединений в воздухе. Стоит отметить и их высокий потенциал в области диагностики и лечения различных заболеваний ввиду выраженной биологической активности многих соединений редкоземельных элементов. «Для понимания механизма такой активности нужно знать, как ионы редкоземельных элементов взаимодействуют с органическими веществами, участвующими в метаболизме. Одним из таких важных веществ является молочная кислота, которая формируется в организме человека при распаде глюкозы и является маркером различных нарушений, вызванных гипоксией. Исследования химического взаимодействия редкоземельных элементов с молочной кислотой были начаты много лет назад, но, как ни странно, кристаллических лактатов никто до нас получить не смог. Кстати, о солях редкоземельных элементов с другими α-гидроксикислотами известно еще меньше. Мы предложили стратегию синтеза и смогли выделить кристаллы первой соли редкоземельного элемента и молочной кислоты – лактата иттрия», – комментирует научный сотрудник Лаборатории синтеза функциональных материалов и переработки минерального сырья ИОНХ РАН Алексей Дмитриевич Япрынцев.

Уникальность этой работы заключается и в том, что при небольшом изменении условий синтеза, в частности, при использовании меньшего количества молочной кислоты, образуются не кристаллы, а аморфные гели, состоящие из тончайших (около 30 нм) волокон. Этот результат крайне интересен, поскольку «соединения редкоземельных элементов крайне редко образуют гели, а гели с волокнистой структурой вообще практически не изучены», — отмечает заведующий Лабораторией синтеза функциональных материалов и переработки минерального сырья ИОНХ РАН, к.х.н. Александр Евгеньевич Баранчиков.

В ходе исследований нового соединения выяснилось, что при сушке гелей лактата иттрия образуется прочный гибкий материал, напоминающий обычную бумагу. Был проведен детальный анализ структуры нового материала, в том числе и методом малоуглового нейтронного рассеяния на спектрометре ЮМО высокопоточного импульсного реактора ИБР-2 в Объединенном институте ядерных исследований. Результаты этого исследования позволили подробнее изучить обнаруженную «лактатную бумагу» и определить, что она имеет фибриллярную структуру, представляя собой набор 2d структур, а именно тонких пластин, вытянутых в одном направлении. Дальше новая форма соединения, ее особенности и свойства будут подробно изучаться, что в дальнейшем позволит определить области применения нового материала.

В заключение хотелось бы отметить, что эта работа уже не первый удачный совместный опыт взаимодействия между учеными ИОНХ РАН, ПИЯФ и ОИЯИ. По словам старшего научного сотрудника НЭОНИКС ЛНФ ОИЯИ, к.ф.-м.н. Юлии Евгеньевны Горшковой, в настоящее время на объекте научной инфраструктуры ИБР-2 успешно реализуется исследовательская программа в рамках выполнения проекта № 19-73-20125 «Новые гибридные и углеродные аэрогели – синтез и анализ структуры методами малоуглового рассеяния», финансируемого Российским научным фондом по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими физиками и инженерами, в том числе молодыми учеными.

Результаты работы опубликованы в журнале RSC Advances: A.D. Yapryntsev, A.E. Baranchikov, A.V. Churakov, G.P. Kopitsa, A.A. Silvestrova, M.V. Golikova, O.S. Ivanova, Yu.E. Gorshkova, V.K. Ivanov. The first amorphous and crystalline yttrium lactate: synthesis and structural features. RSC Adv. 2021, 11, 30195–30205, https://doi.org/10.1039/D1RA05923H.