Российские ученые оценили возможности модифицированных нанотермитных систем в борьбе с биологическими загрязнителями. Нанотермиты представляют собой энергетические композиции на основе наночастиц металлического горючего. Традиционные материалы и составы не обеспечивают высокую степень инактивации бактерий из-за ограниченного биоцидного действия. Эта проблема становится более заметной, когда микроорганизмы находятся в аэрозольном состоянии и распределены в объеме воздуха. Чтобы повысить эффективность, ученые исследовали многокомпонентные нанотермиты, содержащие кристаллический иод (I2), иодоформ (CHI3) и оксид цинка (ZnO) и создание из них облака биоцидного аэрозоля.
Эксперименты ученых Томского государственного университета и Института проблем химико-энергетических технологий СО РАНпоказали, что нанотермитные системы с биоцидными компонентами существенно снижают концентрацию микроорганизмов в воздухе и на поверхностях — с эффектом воздействия до 80%. Высокая эффективность таких систем может быть особенно актуальна для смягчения биологических угроз — особенно в сценариях, связанных с бактериальным заражением воздуха, сообщили в пресс-службе ТГУ.
Загрязнение атмосферы в результате техногенных катастроф, промышленных аварий, транспортных инцидентов и терактов считается одной из основных глобальных проблем. Эпидемии, пандемии и инциденты, связанные с распространением биопатогенов, продемонстрировали острую необходимость в разработке эффективных мер для смягчения биологических угроз, переносимых по воздуху. Традиционные методы очистки атмосферы — химическое распыление, УФ-излучение и термическая обработка — имеют ряд недостатков. Это низкая эффективность инактивации, логистические проблемы и медленное реагирование в экстренной ситуации.
Одним из перспективных подходов инактивации биологических патогенов в воздухе является использование нанотермитов с биоцидными добавками.
Нанотермиты — это класс энергетических материалов, состоящих из гомогенной смеси наноразмерных частиц металлического топлива (как правило, наноалюминия) и окислителя (как правило, оксидов меди, железа или молибдена). Сами по себе натотермиты во многих случаях обладают более высокой плотностью энергии и температурой пламени, чем традиционные мономолекулярные системы. Однако одного только термического воздействия недостаточно для полной инактивации биологических загрязнителей — особенно в случае высокоустойчивых микроорганизмов, таких как бактериальные споры и вирусные частицы. Для повышения эффективности инактивации нанотермиты могут быть модифицированы биоцидными добавками. В процессе горения они выделяют химически активные вещества, и эти продукты сгорания способны непосредственно взаимодействовать с биологическими патогенами, разрушая их.
Lactobacillus casei — стандартный тест-организм, непатогенный и безопасный в работе. Он часто используется для моделирования поведения патогенных бактерий из-за схожести структуры клеточной стенки.
«Значительные трудности в разработке биоцидных нанотермитных систем связаны с их приготовлением, в частности, с получением гомогенной смеси компонентов нанотермита и введением биоцидной добавки в состав. Есть и критические нерешенные вопросы. К примеру, очевидно, что бактерицидная активность биоцидов наиболее высока вблизи места их горения. Но то, как она снижается с увеличением расстояния от эпицентра реакции, остается неясным. Кроме того, загружать биоциды в нанотермитные системы можно в разной концентрации, а взаимосвязь между эффективностью инактивации бактерий и концентрацией биоцида ранее не была тщательно исследована», — рассказал научный сотрудник лаборатории нанотехнологий металлургии и научно-исследовательской лаборатории высокоэнергетических и специальных материалов ФТФ ТГУ Сергей Соколов.
Нанотермитные системы для экспериментов были синтезированы с использованием нанопорошка алюминия (nAl) в комбинации с оксидами меди, железа и молибдена. В эксперименте L. Casei подвергали воздействию различных продуктов горения нанотермитов, содержащих биоцид. На этом этапе ученые установили, что максимальный процент инактивации лактобацилл достигался при использовании нанотермитов, содержащих CuO в качестве окислителя. Именно его было решено использовать в дальнейших исследованиях — для определения наиболее эффективного биоцида и его оптимальной концентрации.
Эксперименты показали, что введение I2 в нанотермитные системы существенно влияет на эффективность инактивации. В разных концентрациях на расстоянии образцов с L. casei в 10 см от эпицентра реакции такие системы показали высокий биоцидный эффект — до 72% по сравнению с референсной системой, которая не содержала биоцидов. CHI3 — известный антисептик короткого действия — давал максимальный индекс бактерицидной активности 73%. А вот вариации концентрации ZnO оказывали минимальное влияние на бактерицидную активность, хотя расстояние от эпицентра, как и в случае с другими биоцидными добавками, играло критическую роль. Наибольший эффект воздействия (78%) был зарегистрирован на расстоянии 10 см, снижаясь при отдалении от места горения.
На основании полученных экспериментальных результатов ученые определили, что оптимальным является введение 20 масс.% I2, CHI3 и ZnO в нанотермиты на основе nAl + CuO.
Кроме того, исследователи предложили новый подход к модификации поверхности частиц нанопорошка алюминия. Этот материал обладает исключительной реакционной способностью, что делает его перспективным компонентом для различных энергетических систем. Но у nAl есть несколько критических недостатков.
«В их числе — высокая чувствительность к окислению и коррозионным средам и повышенная вязкость, которая затрудняет обработку и препятствует равномерному диспергированию алюминия в составах. Решить эти проблемы можно, создавая защитное полимерное покрытие на частицах. Оно служит барьером против преждевременного окисления, тем самым сохраняя содержание активного алюминия. Вместе с тем покрытие предотвращает прямой контакт частиц, снижая их тенденцию к агломерации, и материал становится менее вязким», — пояснил Сергей Соколов.
Полученные научные результаты позволяют перейти к разработке и отработке технологии получения модифицированных биоцидных нанотермитных систем с повышенной бактерицидной эффективностью, а также к подготовке ее масштабирования. В ходе проекта сформированы экспериментальные данные и отработаны методические подходы, которые будут использованы в дальнейших исследованиях и при разработке научно-технологических решений в рамках реализации Программы развития Научного центра мирового уровня «Новые материалы специального назначения».
Проект ученых ТГУ и ИПХЭТ СО РАН поддержан грантом Российского научного фонда. По итогам одного из исследований международный научный журнал Inorganic Chemistry Communications (Q1) опубликовал статью «Бактерицидная активность многокомпонентных нанотермитных систем с биоцидными добавками в отношении Lactobacillus casei».
Научный центр мирового уровня «Новые материалы специального назначения» учрежден решением Комиссии по научно-технологическому развитию РФ в мае 2025 года в рамках нацпроекта «Новые материалы и химия». Координатор центра — Томский государственный университет. Программа развития НЦМУ официально поддержана министерством промышленности и торговли РФ, Федеральным медико-биологическим агентством РФ, администрацией Томской области.
