Полимерные магнитоактивные композиты (материалы, состоящие из магнитных наночастиц, внедренных в полимерную матрицу) находят все более активное применение во многих наукоемких промышленных и медико-биологических технологиях. С одной стороны, большое разнообразие магнитных наполнителей, полимерных сред, различные технологии внедрения магнитных частиц в полимерную матрицу позволяют синтезировать полимерные магнитоактивные материалы с широким спектром свойств и функциональных возможностей. С другой стороны, такие композиты, в которых магнитные частицы обездвижены в твердых или упругих матрицах, представляют собой "модельные" системы, моделирующие поведение биологических (клеточных) тканей, в которые введены магнитные частицы. Направленное внедрение наночастиц в биологические ткани в различных условиях и воздействие на эти ткани магнитными полями разнообразных конфигураций приводят к существенным эффектам, которые используются в диагностике и терапии. Наиболее известными примерами являются методики значительного усиления рентгеноконтрастности биотканей за счет внедрения магнитных наночастиц и методики магнитной гипертермии злокачественных опухолевых тканей за счет локального нагрева внедренными магнитными наночастицами. Во всех случаях на первом месте стоит магнитный отклик ансамблей обездвиженных наночастиц, обязательно проявляющих суперпарамагнитное поведение при наномасштабах, и эффективный магнитный отклик матриц, в которых введены эти наночастицы. Накопление обширного экспериментального материала столкнулось с проблемой заметного отставания теоретического осмысления наблюдаемых свойств. В первую очередь это связано с тем, что для оценок магнитного отклика на уровне отдельной структурной единицы используются одночастичные модели Ланжевена и Дебая, игнорирующие наличие межчастичных взаимодействий. Безусловно, даже наноразмерные магниты, которые представляют собой суперпарамагнитные наночастицы, взаимодействуют друг с другом, и определяющим здесь является магнитное взаимодействие диполь-дипольного типа.
В дипольных газах и жидкостях, у которых отдельная структурная единица предполагается содержащей фиксированный точечный дипольный момент, в последнее десятилетие теоретически обнаружено разнообразие структурных превращений, как на уровне формирования агрегатов различных типов, так и формирования крупномасштабных структур типа неупорядоченных сеток. Аналогичные явления имеют место в ансамблях суперпарамагнитных наночастиц, более того, за счет наличия дополнительных (к дипольной жидкости) степеней свободы, связанных с осями легкого намагничивания, здесь имеют место быть структурные превращения иного типа, например, крупномасштабное ориентационное текстурирование легких осей, вызванное сильным магнитным полем на этапе синтеза магнито-управляемого композита в процессе полимеризации матрицы.
Принципиальная научная новизна настоящего проекта связана именно с тем, что основной упор в исследованиях будет сделан на роли межчастичного магнито-дипольного взаимодействия в магнитном отклике ансамблей обездвиженных суперпарамагнитных наночастиц, внедренных в различные по свойствам матрицы и претерпевающих структурные превращения разного рода. Актуальность решения данной научной проблемы состоит в развитии фундаментальной базы, прослеживающей цепочку: условия синтеза полимерных магнитоактивных композитов – формирующаяся пространственная и ориентационная архитектура магнитного наполнителя – проявляемые композитом магнитные свойства. Использование математических моделей в сочетании с проведением компьютерных экспериментов позволит просчитывать различные ситуации и даст возможность прогнозирования макроскопических свойства композитов исходя из микроскопического анализа.
Ожидаемые результаты:
Проект направлен на решение проблемы прогнозирования свойств современных функциональных материалов, использующих магнитные наночастицы в качестве основы для управления этими свойствами с помощью приложенных магнитных полей. Кроме функциональных материалов, важнейшей областью применения магнитных наночастиц являются современные биомедицинские методики такие, как, например, направленный транспорт лекарственных препаратов, магнитное рентгено-контрастирование биологических органов, магнитная гипертермия опухолевых тканей, и др. Для всех этих систем наблюдаются процессы структурирования наночастиц, сопровождаемые как локальным формированием агрегатов различного типа, так и крупномасштабным текстурированием легких осей намагничивания в процессе внедрения в биологические (клеточные) ткани. Соответственно, ансамбли суперпарамагнитных наночастиц, обездвиженных в жестких или упругих матрицах, например, (био)полимерных, представляют собой полимерные магнитоактивные композиты.
Класс исследуемых объектов достаточно разнообразен, что однозначно означает реализацию широчайшего спектра физико-химических явлений на микро- и наномасштабном уровне, учет которых в полном объеме невозможен в рамках теоретико-аналитических методов. Поэтому проект предусматривает комплексную методологию исследований, базирующуюся на широкомасштабном применении методов компьютерного моделирования для выяснения влияния каждого отдельного фактора в рамках "чистого" компьютерного эксперимента. Сочетание данных компьютерного моделирования с предсказаниями аналитических теорий обеспечивает не только корректное описание натурных экспериментов, но и прогнозирование свойств магнитных композитов, что делает возможным практическое использование ожидаемых результатов проекта в современных высоких технологиях и биомедицинских приложениях. Общими научными результатами проекта будут являться сформулированные выводы о физических и физико-химических закономерностях явлений и процессов, имеющих место быть на уровне отдельных магнитных наночастиц и агрегатов частиц, взаимосвязанных друг с другом посредством межчастичных взаимодействий, основную роль среди которых играет магнитное диполь-дипольное взаимодействие магнитных моментов наночастиц.
В результате выполнения проекта будут получены следующие конкретные результаты.
1. Будут развиты математические подходы и методы изучения мягких магнитоактивных композитов, позволяющие учитывать межчастичные диполь-дипольные взаимодействия и анизотропную внутреннюю архитектуру магнитного наполнителя. Этот результат является важным с научной точки зрения, поскольку строгие статистико-механические модели взаимодействующих подвижных или обездвиженных дипольных частиц в научной литературе развиты очень слабо.
2. Будут теоретически исследованы статические и динамические свойства полимерных магнитоактивных образцов с заданной ориентационной и пространственной анизотропией частиц магнитного наполнителя, в том числе в условиях формирования цепочечных и иных агрегатов наночастиц в процессе полимеризации матрицы. Теоретические результаты будут апробированы на компьютерных экспериментах методами Монте-Карло и Броуновской динамики.
3. Будут сформулированы физические закономерности, определяющие взаимосвязь между сформированной в процессе полимеризации анизотропной архитектурой магнитного наполнителя в образцах и их магнитным свойствами в переменном и/или постоянном магнитных полях. Выявление и математическое описание таких закономерностей даст возможность прогнозировать свойства магнитоактивных композитов на этапе их синтеза, а также предсказывать магнитные характеристики биотканей с внедренными магнитными наночастицами в условиях проведения диагностических и/или терапевтических процедур.
В публичном пространстве результаты проекта будут представлены рядом статей в ведущих мировых журналах по физике наноструктур и нанотехнологиям. Главной установкой при подготовке статей будет не стремление добиться рекордного количества публикаций «на душу населения», а расчёт на то, чтобы каждая публикуемая работа обладала максимальным потенциалом цитируемости, то есть имела бы высокий «спрос». Поставленная цель требует как придирчивого отбора материала, так и продуманного способа его подачи. Отдавая себе отчёт, что выбранная стратегия весьма затратна по времени, в заявке указано довольно «скромное» число статей, приоритетом сделано их качество. По этому же признаку можно оценить степень соответствия научных результатов проекта мировому уровню исследований. В последние годы более половины всех научных публикаций российского коллектива выполнены в научных журналах, относящихся к первому квартилю ведущих мировых баз данных научного цитирования.
Социальная значимость проекта обуславливается тем, что научный коллектив проекта, проводя исследования на передовом крае науки о магнитных мягких материалах (magnetic soft matter), будет использовать полученные результаты в образовательном процессе, с целью повышения интереса и вовлечения студенческой аудитории в фундаментальные и прикладные исследования. Кроме того, по результатам проекта будут подготовлены материалы для средств массовой информации, популяризирующие научные исследования. Также научный коллектив проекта планирует активно участвовать в международных и российских конференциях, публиковать результаты проекта в высоко-импактных международных журналах, укрепляя тем самым авторитет российской науки на мировом уровне.
