Маркелов Денис Анатольевич

Профессор, доктор физико-математических наук

Электронный адрес: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript., Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Адрес: НИИФ, корпус И, к. 341

Курсы:

Актуальные приложения магнитного резонанса (на английском языке), 6 курс 4 сем., Обр. прог. «Физика» модуль «ЭФ»
Практикум по магнитному резонансу III, 6 курс 3 сем., Обр. прог. «Физика» модуль «ЭФ»

Группа профессора

Маркелова Дениса Анатольевича

Основные направления исследований

Теоретические и экспериментальные исследования дендримеров

Дендримеры – это макромолекулы, характеризующиеся регулярным древовидным ветвлением. Дендримерные макромолекулы имеют компактную сферическую форму и наноразмеры. Благодаря своей древовидной структуре (топологии) дендримеры обладают большим количеством концевых групп, которые можно модифицировать в процессе синтеза придавая всей макромолекуле необходимые свойства. Эти и другие уникальные особенности дендримеров делают их востребованными в различных практических приложениях (в химии, биологии, медицине и т.д), начиная с их использования в качестве нанореакторов для синтеза монодисперсных металлических наночастиц до доставки лекарственных средств или магниторезонансных меток в клетки организма. По дендримерной тематике публикуется более 500 научных статей индексируемых в WOS и Scopus.

Рисунок. Принципиальная схема доставки лекарственных веществ с помощью дендримерного наноконтейнера.

Рисунок. Синтез металических наночастиц с помощью дендримеров.

Уникальностью нашей группы является использование комплексного подхода для изучения дендримеров, включающего в себя построение/развитие аналитических теорий, молекулярно-динамическое моделирование и экспериментальные исследования (ЯМР спектроскопия и релаксация, малоугловое рентгеновское рассеивание, цитологические исследования). Такой подход позволяет всесторонне исследовать дендримерные структуры и детально описывать и объяснять особенности древовидных макромолекул. Учитывая непростую историю исследования дендримеров, в которой неправильные представления о структурных свойствах были трендом в течение десятилетий (например, см недавний обзор о формировании полости внутри дендримеров D.A. Markelov, et. al // Macromol. Chem. Phys., 2021, 222, 2100085), именно всесторонний подход позволяет достоверно объяснять и описывать эффекты, наблюдаемые для дендримерных систем.

Все исследовательские работы группы выполняются на мировом уровне, внося важный вклад в развитие фундаментальных представлений о дендримерах, а также развитие технологий на основе дендримеров.

Последние публикации по дендримерам:

Развитие теории ориентационной подвижности в дендримерах, проявляющей в различных экспериментах и ее экспериментальное подтверждение:

D.A. Markelov, A.N. Shishkin, V.V. Matveev, A.V. Penkova,; E. Lahderanta, V.I. Chizhik / Orientational Mobility in Dendrimer Melts: Molecular Dynamics Simulation // Macromolecules, 2016, V. 49, P. 9247-9257.
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.macromol.6b01502

D.A. Markelov, M. Dolgushev, E. Lahderanta / NMR Relaxation in Dendrimers // Annual Reports on NMR Spectroscopy, 2017, V.91, P. 1-66.
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S006641031630031X

N.N. Sheveleva, D.A. Markelov, M.A. Vovk, M. E. Mikhailova, I.I. Tarasenko, I. M. Neelov, E. Lähderanta / NMR studies of excluded volume interactions in peptide dendrimers // Scientific Reports, 2018, V. 8, No. 8916.
https://www.nature.com/articles/s41598-018-27063-3

N.N. Sheveleva, M. Dolgushev, D.A. Markelov, E. Lähderanta / NMR Relaxation of Functionalized Dendrimers // Macromolecules, 2019, V. 52, P. 9766−9772
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.macromol.9b01427

Экспериментальные и теоретические исследования расплавов карбосилановых дендримеров:

A.N. Shishkin, D.A. Markelov, V.V. Matveev / Molecular dynamics simulation of poly(butyl)carbosilane dendrimer melts // Russian Chemical Bulletin, 2016, V. 65, No. 1, P. 67-74.
https://link.springer.com/article/10.1007/s11172-016-1266-6

V.V. Matveev, D. A. Markelov, S.V. Dvinskikh, A. N. Shishkin, K.V. Tyutyukin, A.V. Penkova, E.A. Tatarinova, G.M. Ignat'eva, S.A. Milenin / Investigation of Melts of Polybutylcarbosilane Dendrimers by 1H NMR Spectroscopy // Scientific Reports, 2017, V. 7, No. 13710.

M. Dolgushev, D.A. Markelov, E. Lähderanta / Linear Viscoelasticity of Carbosilane Dendrimer Melts // Macromolecules, 2019, V. 52, P. 2542−2547.
https://www.nature.com/articles/s41598-017-13743-z

Развитие теории о формировании полости внутри дендримера

D.А. Markelov, A. A. Polotsky, T. M. Birshtein / Formation of a “hollow” interior in the fourth-generation dendrimer with attached oligomeric terminal segments // Journal of Physical Chemistry B, 2014, V. 118, No. 51, P. 14961–14971.
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp509151w

D.A. Markelov, A.S. Semisalova, M.A. Mazo / Formation of a Hollow Core in Dendrimers in Solvents // Macromol. Chem. Phys., 2021, 222, 2100085.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/macp.202100085

Экспериментальные и теоретические исследования пептидных дендримеров

N.N. Sheveleva, D. A. Markelov, M. A. Vovk, M. E. Mikhailova, I. I. Tarasenko, P. M. Tolstoy, E. Lähderanta / Lysine-based dendrimer with double arginine residues // RSC Advances, 2019, V. 9, P. 18018-18026.
https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/ra/c9ra02461a

N.N. Sheveleva, D. A.Markelov, M. A. Vovk, I. I. Tarasenko, M. E. Mikhailova, M.Y. Ilyash, I.M. Neelov, E. Lähderanta / Stable Deuterium Labeling of Histidine-Rich Lysine-Based Dendrimers // Molecules, 2019, V. 24, N. 2481.
https://www.mdpi.com/1420-3049/24/13/2481

S.E. Mikhtaniuk, V.V. Bezrodnyi, O.V. Shavykin,; I.M. Neelov, N.N. Sheveleva, A.V. Penkova, D.A. Markelov / Comparison of Structure and Local Dynamics of Two Peptide Dendrimers with the Same Backbone but with Different Side Groups in Their Spacers // Polymers, 2020, V. 12, No. 1657.
https://www.mdpi.com/2073-4360/12/8/1657

V.V. Bezrodnyi, O.V. Shavykin , S.E. Mikhtaniuk, I.M. Neelov, N.N. Sheveleva, D.A. Markelov / Why the orientational mobility in arginine and lysine spacers of peptide dendrimers designed for gene delivery is different? // Int. J. Mol. Sci., 2020, 21, 9749.
https://www.mdpi.com/1422-0067/21/24/9749

V.V. Bezrodnyi, S. E. Mikhtaniuk, O. V. Shavykin, I. M. Neelov, N. N. Sheveleva, D. A. Markelov / Size and structure of empty and filled nanocontainer based on peptide dendrimer with histidine spacers at different pH // Molecules, 2021, 26, 6552.
https://www.mdpi.com/1420-3049/26/21/6552

Сотрудники, принимающие участие в этих исследованиях

Шевелева Надежда Николаевна, ассистент, к.т.н.
Хуснутдинова Наира Рустемовна, аспирант

Исследования композитных полимерных материалов для создания новых мембранных материалов

В процессе первапорации перенос вещества через непористую мембрану осуществляется от фазы с высокой концентрацией вещества к фазе с более низкой концентрацией, т.е. движущей силой является разность химических потенциалов. Разделение низкомолекулярных жидких веществ происходит путем их диффузии через непористые мембраны. Многие фундаментальные аспекты теории диффузионного разделения находятся пока в стадии разработки. Определенные успехи достигнуты в моделях, описывающих механизм транспорта, среди которых, безусловно, признанным является механизм «растворение-диффузия».

В процессе первапорации происходит разделение жидких смесей за счет их селективного испарения через непористую полупроницаемую мембрану. В вакуумном режиме первапорации движущей силой является градиент давления. Схема первапорационной установки представлена на Рисунке.

Рисунок. Схема первапорационной установки.

В нашей группе проводится исследование свойств новых композитных мембран с помощью молекулярно-динамическое моделирования композитных систем“полимер+наночастицы”, в том числе при добавлении молекул жидкостей, разделяемых в процессе первопарации.

В качестве полимера используются материалы, которые показали свою эффективность для разделения жидкостей в процессе первапорации. Новизной наших исследований является добавление новых наночастиц, позволяющих улучшить свойства мембран. За последнее время нами были исследованы системы с добавлением:

- металл-органических каркасных структур (по-английски metal-organic framework или MOF (см. https://en.wikipedia.org/wiki/Metal%E2%80%93organic_framework))

Рисунок. Ячейка моделирования композитной системы, содержащей одну частицей MOF и 73 цепи полифениленизофталамида. Атомы MOF отмечены сферами Ван-дер-Ваальса. Атомы полимера представлены схематично.

- наночастиц диоксида титана (например, см. https://en.wikipedia.org/wiki/Titanium_dioxide)

Рисунок. Ячейка моделирования композитной системы, содержащей одну наночастицу [TiO₂] и 100 цепочек полиакрилонитрила c добавлением молекул воды (цветовая маркировка: желтый – Ti, темно-красный цвет — O из TiO₂, красный цвет — O из воды, белый цвет — H из воды, атомы полимера представлены схематично)

Исследование композитных систем позволило подтвердить экспериментальные данные и объяснить причины эффективности новых материалов для процесса первапорации. Работа проводится в тесном сотрудничестве с научной группой А.В. Пеньковой (http://chem.spbu.ru/learning/studyoffice/237-scientific-activities/research-groups/2060-nauchnaya-gruppa-professora-a-v-penkovoj.html) на Химическом факультете СПбГУ.

Последние публикации по моделированию композитных материалов

A.V. Penkova, A.I. Kuzminova, M.E. Dmitrenko, V.A. Surkova, V.P. Liamin, D.A. Markelov, A.V. Komolkin, D.Y. Poloneeva, A.V. Laptenkova, A.A. Selyutin, A.S. Mazur, A.V. Emeline, S.Thomas, S.S. Ermakov / Novel pervaporation mixed matrix membranes based on polyphenylene isophtalamide modified by metal–organic framework UiO-66(NH2)-EDTA for highly efficient methanol isolation // Sep. Purif. Technol., 2021, 263, 118370
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1383586621000721

M. Dmitrenko, A. Kuzminova, A. Zolotarev, D. Markelov, A. Komolkin, E. Loginova, T. Plisko, K. Burts, A. Bildyukevich, A. Penkov / Modification strategies of polyacrylonitrile ultrafiltration membrane using TiO₂ for enhanced antifouling performance in water treatment // Sep. Purif. Technol., 2022, 286, 120500
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1383586622000600

Сотрудники, принимающие участие в этих исследованиях

Комолкин Андрей Владимирович, к.ф.-м.н, доцент
Базайкин Владимир, студент

Сотрудничество с российскими и зарубежными группами

Зарубежные коллабрации

- Лаппеенрантский технологический университет (Лаппеенранта, Финляндия). Молекулярно-динамическое моделирования дендримеров с использованием кластера финской академии наук (входит в топ-10), экспериментальные исследования дендримеров.

- Лаборатория теоретической физики конденсированной материи, Сорбоннский университет, CNRS, (Париж, Франция). Развитие теории ориентационной подвижности дендримерных макромолекул, молекулярно-динамическое моделирование реологических свойств расплавов дендримеров

- Институт теории полимеров при Институте полимерных исследований им. Лейбница (Дрезден, Германия). Квантово-химические расчеты и молекулярно-динамическое моделирование дендримеров с азобензольными концевыми группами

Российские коллаборации

Химический факультет МГУ (Москва)

ИТМО (СПб)

Институт высокомолекулярных соединений РАН (СПб)

Институт химической физики (Москва)

Химический факультет СПбГУ (СПб)

Публикационная активность и цитируемость

За последние 5 лет (2017-2021гг) опубликовано 23 статьи в научных журналах. Большинство статей опубликовано в журналах первого квартиля (Q1)

Научные работы (статьи) довольно активно цитируются, что указывает на актуальность проводимых научных исследований

Научные конференции

Коллектив группы активно участвует в российский и международных конференция где докладываются и апробируются научные результаты группы.

Проф. Маркелов является председателем оргкомитета международной школы конференции “Magnetic resonance and its applications. Spinus” (https://spinus.spb.ru/)

Гранты

Большая научная активность позволяет руководителю и участникам группы выигрывать гранты (как для группы, так и индивидуальные) и привлекать внешнее финансирование для командировок (стажировок).