Светопреобразующие полимерные волокна, тканые и нетканые материалы на их основе для живых систем в развитии концепции «Полезное Солнце»НИР

Light-modulating polymer fibers, woven and nonwoven materials on their basis for living systems in the development of "Useful Sun" concept

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 8 октября 2018 г.-4 октября 2019 г. Светопреобразующие полимерные волокна, тканые и нетканые материалы на их основе для живых систем в развитии концепции «Полезное Солнце»
Результаты этапа: 1. Получены новые органические красители, эффективно излучающие свет в красном и ближнем инфракрасном диапазонах спектра. 2. Были получены люминесцентные полимерные волокна и нетканые материалы на основе полипропилена или полилакитда и люминофоров, c различной концентрацией последних. Полученные знания и материалы являются новыми и безусловно будут полезными для дальнейшего развития междисциплинарных направлений данного проекта. 3. Изучение оптических свойств полученных люминофоров методом абсорбционно-флуоресцентной спектроскопии в растворе и полимерной матрице, позволило изучить оптические характеристики данных материалов и оценить фотостабильность полученных полимерных композитов. В результате были выявлены перспективные свойства ряда люминофоров, обладающие эффектом увеличения люминесценции при переходе от растворов к твердому состоянию в сочетание высокими значениями квантового выхода люминесценции и рекордно большими величинами Стоксового сдвига. Изучение фотостабильности позволило выявить неперспективные для использования сочетания структурных блоков. 4. Изучение интенсивности люминесцентных свойств, полученных полимерных композиционных материалов на основе полипропилена и полилактида в зависимости от концентрации люминофора, толщины материала и температуры его получения, позволило выявить оптимальные параметры для получения полимерных люминесцентных волокон. 5. Исследование реакции растений салата и капусты, выращиваемых под нетканым материалом на основе полипропилена (спанбонд) с введенными люминофорами выявило заметный положительный эффект, при введении люминофоров с максимумом излучения в красной области спектра на ростовые и фотосинтетические параметры растений. 6. Исследование стресс-устойчивости клеток лейкоцитов крови животных при УФ-повреждении клеточной ДНК при ФБМ от светодиодных матриц с λmax=660нм и с облучением модельным солнечным светом через светоконвертирующий текстиль, наполненный люминофором с максимумом излучения близким к 660 нм, позволило выявить повышение стресс-устойчивости клеток. 7. Таким образом, в ходе выполнения первого этапа проекта были разработаны основные подходы к получению люминесцентных волокон и текстиля. В результате были получены первые знания и закономерности при использовании полипропилена и полилактида в качестве полимерной матрицы.
2 18 ноября 2019 г.-13 ноября 2020 г. Светопреобразующие полимерные волокна, тканые и нетканые материалы на их основе для живых систем в развитии концепции «Полезное Солнце»
Результаты этапа: Ожидаемые результаты и их практическая значимость 1. С учетом анализа результатов 1-го года будут получены наработаны в достаточных количествах наиболее перспективные люминофоры, полученные на предыдущем этапе, излучающие свет с максимумом близким к 660 нм. Будут получены новые люминофоры совместимые с с полиамидом и излучающие свет в красном и/или ближнем инфракрасном диапазоне. Будет подобран коммерческий или синтезирован новый металлоорганический люминофор, излучающий свет в красном и/или ближнем ИК-диапазоне. 2. Будут получены полимерные пленки на основе различных полимерных матриц и новых органических люминофоров, а также металлорганического люминофора; 3. Будут получены полимерные композиты пленок на основе различных люминофоров и полиамида; 4. Будут получены нетканые материалы на основе полипропилена (спанбонда) и органического люминофора. 5. Будут получены нетканые материалы на основе органического люминофора с максимумом излучения близким к 660 нм и полилактида с меньшей толщиной и/или концентрацией люминофора по сравнению с материалом, полученным на первом этапе. 6. Будут получены нетканые материалы на основе полиамида и совместимого с ним люминофора. 7. Будут изучены оптические свойства полученных люминофоров методом абсорбционно-флуоресцентной спектроскопии в растворе, порошке и полимерной матрице. 8. Будут изучены люминесцентные свойства полученных полимерных пленок в зависимости от концентрации люминофора и толщины материала при возбуждении солнечным излучением или излучением моделирующим солнечное. 9. Будут изучена фотостабильность полученных полимерных композитов с люминофорами. В том числе будет изучено влияние химического строения полимерной матрицы на фотостабильность люминесцирующей композиции. Разработка методики оценки и фотостабильности люминесцирующих композиций на основе результатов абсорбционно-люминесцентных измерений и величины измеренной поглощенной дозы при облучении имитатором солнечного света. 10. Будет разработана методика оценки энергетического выхода люминесцирующих композиций на основе результатов абсорбционно-люминесцентных измерений. 11. Будет проведено исследование реакции растений салата и капусты на ростовые и фотосинтетические параметры, при выращивании под полученными на данном этапе светопреобразующими неткаными материалами с максимумами излучения в красной области спектра. 12. Будет проведено исследование реакции растений томата (фотосинтетическая активность, пигменты и ростовые параметры) выращиваемых под неткаными материалами с введенными в них органическими люминофорами с максимумом излучения близким к 660 нм. Будут использованы мутанты томата дефицитные по ключевым фитохромам А и В. Будут использованы растения в возрасте 20-45 дней. 13. Будет проведено исследование стресс-устойчивости клеток лейкоцитов крови животных при УФ-повреждении клеточной ДНК при ФБМ от светодиодных матриц с λmax=730 нм и с облучением модельным солнечным светом через светоконвертирующий текстиль, наполненный люминофором с максимумом излучения близким к 730 нм. 14. Будет проведен анализ полученных результатов. 15. Полученные в ходе выполнения этапов проекта результаты предполагается представить в виде публикаций в ведущих отечественных или зарубежных реферируемых журналах и тезисов на соответствующих профильных Конференциях и Симпозиумах. Результаты выполнения этапа За второй год выполнения проекта был проведен синтез новых органических люминофоров, обладающих эффективной люминесценцией в красном и ближнем инфракрасном спектральном диапазоне. Стоит отметить, что полученные люминофоры, обладают не только высокими значениями квантового выхода люминесценции, но и большими величинами стоксового сдвига. С целью сравнения был также получен металлоорганический люминофор, излучающий свет в красном спектральном диапазоне. Оптические свойства всех полученных органических люминофоров были исследованы методом абсорбционно-флуоресцентной спектроскопии в растворе, в чистом виде и полимерной матрице (полилактиде или полиламиде). Изучение люминесцентных свойств, полученных полимерных композиционных материалов в зависимости от концентрации люминофора и типа полимерной матрицы позволило вывить ряд закономерностей и определить оптимальные параметры для получения светопреобразующего нетканого материала на их основе. Исследование фотостабильности полученных композиций позволило выбрать те, которые сочетают эффективную люминесценцию с устойчивостью к солнечному свету. Для получения светопреобразующих нетканых материалов на основе полиамида и полилактида был использован метод электроформования из раствора. Для получения светопреобразующих нетканых материалов на основе полипропилена была использована оригинальная методика включающая нанесение органического или гибридного люминофора в виде тонкого слоя лака на основе полилактида на полипропиленовый спанбонд. Новые светопреобразующие нетканые материалы на основе полипропилена и полилактида с органическими или металлоорганическими люминофорами были использованы при изучении основных физиологических параметров растений. Было проведено сравнительное исследование функционирования фотосинтетического аппарата и динамики процессов роста у растений капусты белокочанной ранней сорт «Парел F1» и салата сорта «Кучерявец Одесский». Показано, что растения капусты под светопреобразующим покрытием из нетканого полипропиленового материала имели величины общей биомассы, скорости фотосинтеза и площади листьев выше, чем растения с обычным покрытием. Облучение лейкоцитов крови животных модельным солнечным светом от ксеноновой лампы через светоконвертирующий материал на основе полилактида и органического люминофора со спектральным максимумом излучения около 660 нм, оказало выраженный положительный эффект на стресс-устойчивость при УФ-индуцированном повреждении клеточной ДНК. Отсутствие ожидаемого защитного действия при использовании люминофора со спектральным максимумом излучения в области 730 нм может быть объяснено более низкой эффективностью люминесценции люминофора в этой области по сравнению с 660 нм. Результаты работы были представлены в виде приглашенного доклада на Восьмой Всероссийской Каргинской Конференции «Полимеры — 2020». По итогам выполнения второго этапа проекта опубликована одна статья (Dyes and Pigments, 2020 - журнал из Q1, IF = 4.613) и еще одна статья находится на стадии рецензии (Scientific Reports, 2020, - журнал из Q1, IF = 3.998).
3 14 ноября 2020 г.-4 марта 2021 г. Светопреобразующие полимерные волокна, тканые и нетканые материалы на их основе для живых систем в развитии концепции «Полезное Солнце»
Результаты этапа: По итогам выполнения проекта были получены следующие конкретные научные результаты (это что обещали - надо проверить, поправить, добавить и написать в совершенном ): 1. Разработаны новые органические люминофоры, излучающие свет в красном и ближнем инфракрасном диапазонах спектра, отличающиеся высокой стабильностью, простотой синтеза, эффективной люминесценцией, хорошей растворимостью и др. 2. Все полученные новые люминофоры выделены в индивидуальном состоянии, а их химическое строение и высокая чистота будут доказаны комплексом современных физико-химических методов, включая ЯМР на ядрах 1H, 13C, элементный анализ и MALDI-TOF масс-спектрометрию. 3. Оптические свойства синтезированных люминофоров были изучены методом абсорбционной и люминесцентной спектроскопии, как в разбавленных растворах, так и в полимерных пленках («твердых растворах»). Для всех люминофоров определены молярные коэффициенты экстинкции и квантовые выходы люминесценции как в растворе, так и в чистом виде и различных полимерных матрицах (полсистирол, полилактид, полиамид, полиэтилентерефталат), изучена фотостабильность люминофоров. Была исследована интенсивность люминесцентных свойств полученных полимерных материалов в зависимости от концентрации люминофора и толщины материала, при условии возбуждения солнечным излучением. 4. Была изучена устойчивость люминесцентных свойств полученных полимерных материалов к высоким температурам, УФ излучению, перекиси водорода, а также к солнечному излучению в климатической камере и в естественных условиях. 5. Методом электроформования расплавов и/или растворов полимеров были получены нетканые композиционные материалы, содержащие синтезированные люминофоры. Условия формования будут оптимизированы в зависимости от типа используемой полимерной матрицы, а также свойств используемого люминофора и его содержания в композите. Полученные материалы были охарактеризованы с использованием комплекса современных физико-химических методов исследования. 6. Была сделана оценка, насколько введение люминофоров в волокна (спанбонд) в определенных концентрациях может быть целесообразно для ускорения роста и развития салата и капусты на начальных стадиях развития растений. 7. Были подобраны оптимальные условия для выращивания растений салата и капусты под свето-трансформирующими материалами. 8. Было выяснено положительное действие излучения полимерных материалов на основе люминофоров, оценен их эффект на фотосинтетические (первичные световые и вторичные, темновые) и ростовые процессы, насколько это действие зависит от содержания ключевых фитохромов и фитохромной системы в целом. 9. Было проведено испытание полученных в ходе проекта люминофоров на ростовые и фотосинтетические параметры растений салата для поиска оптимальных концентраций фотолюминофора. В результате была изучена возможная роль фитохрома, прежде всего фитохрома В регуляции фотосинтетических и ростовых процессов в условиях, когда действует дополнительный свет фотолюминофора очень низкой интенсивности с максимумом 660 нм. Прикладная значимость состоит в более правильном подборе длины волны, интенсивности излучения (концентрации) люминофора в сочетании с преимуществами агротекстиля. 10. Изучение фотобиомодуляции на организменном и клеточном уровнях позволило выявить позитивные адаптивные изменения стресс-устойчивости ДНК клеток к повреждениям. Подобные эксперименты со светопреобразующим текстилем были проведены впервые, и они позволили определить направления дальнейших исследований. 11. Были разработаны научные принципы создания нового вида синтетических волокон, тканых и нетканых материалов, излучающих свет в красном и инфракрасном диапазонах спектра – уникальных материалов с ценными свойствами для применения в сельском хозяйстве и др. 12. Результаты работ могут стать основой для дальнейшего выпуска в России продукции в виде текстильных волокнистых материалов со специальными свойствами для агробиотехнологий. 13. Были получены новые знания о влиянии различных параметров химической структуры люминофоров, их концентрации, квантового выхода люминесценции, растворимости и др. на свойства полимерных волокон на их основе. Комплексное изучение, соотнесение и сравнение свойств полученных волокнистых материалов друг с другом, позволило выявить основные элементы взаимосвязи структура – свойства для полученных систем, что дает возможность предсказывать свойства подобных материалов и конструировать их с заранее заданными параметрами, например, максимумом излучения и поглощения. 14. Полученные экспериментальные результаты были представлены в виде 6 научных статей, входящих в базы Web of Science и Scopus, причем более половина из них в высокорейтинговых журналах из 1-го квартиля (Q1), таких как Journal of Materials Chemistry C, Dyes and Pigments, Scientific Reports, Optical Materials Express, а также в виде многочисленных докладов (стендовых, устных и приглашенных) на соответствующих ведущих Конференциях и Симпозиумах.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".