Российский графен

Работа ученых из РАН попала на обложку топового журнала Английского королевского общества

Фото: Science Picture Co. / Corbis

Российские ученые из Института органической химии имени Зелинского Российской академии наук под руководством профессора Валентина Ананикова разработали эффективный метод визуализации дефектов на поверхности графена и других углеродных материалов, позволяющий за короткое время локализовать тысячи дефектов с помощью стандартной техники микроскопического исследования. Это важно для понимания физико-химических и механических свойств материалов и является одной из основных задач современных нанотехнологий.

Метод, предложенный учеными, основан на свойстве наночастиц металлов, которые избирательно адсорбируются по краям дефектов, в результате чего контуры дефектов «прочерчиваются» цепочками металлических наночастиц, и их видно в электронный микроскоп.

С помощью этого подхода химикам удалось установить, что на поверхности углеродных материалов дефекты располагаются не хаотически, а образуют упорядоченные структуры.

Работа выполнена учеными с участием международного исследовательского коллектива, а ее результаты опубликованы в журнале Chemical Science Королевского химического общества Великобритании и отмечены на его обложке. Авторы исследования рассказали «Ленте.ру» о своей работе.

По следам графеновых дефектов

Экспериментальные исследования свойств графена, проведенные в последнее десятилетие, спровоцировали настоящий «графеновый бум». Сегодня исследования графена и других двумерных материалов на его основе можно условно выделить в отдельную область нанотехнологий.

Особенность графена — высокая подвижность носителей заряда. Графен отличается высочайшей теплопроводностью, электропроводностью и способностью изменять эти свойства в зависимости от модификации своей структуры и от природы внешних воздействий. Поэтому графен и его производные часто рассматриваются как перспективные компоненты электронных устройств нового типа и химических сенсоров.

Например, присоединение к плоскости графена различных функциональных групп не только изменяет электронную проводимость этого материала, но и обеспечивает ему избирательное сродство к определенным молекулам из внешней среды, в том числе биологическим. Свойства графена можно изменить и за счет замещения части его атомов углерода на другие атомы, в частности кремний или германий.

Графен — родоначальник целого класса двумерных структур. Условно этот класс разделяют на две группы. К первой группе относятся структуры на основе самого графена, функционализированного графена (то есть модифицированного различными химическими группами), гибридных графеновых материалов (например, гибриды графена и углеродных нанотрубок). Вторая группа — это когда графен выступает в роли только структурного образца, прообраза, но непосредственного отношения к графену эти структуры не имеют. Например, силицен — структурный аналог графена, состоящий не из атомов углерода, а из атомов кремния.

Важнейший способ управления свойствами двумерных материалов и, в частности, графена — направленное введение в их двумерную сетку структурных дефектов. «Идеальный» графен состоит только из строго упорядоченных шестичленных циклов. Однако отклонения от этой идеальности дают возможность регулировать как физические, так и химические свойства графена.

Неуловимые дефекты

Прямое наблюдение дефектов графена чрезвычайно затруднено. Более того, некоторые дефекты являются динамическими, то есть способны менять свое местоположение и «мигрировать» по поверхности углеродного материала. В результате дефекты могут самоорганизовываться — сливаться или выстраиваться вдоль определенного направления. В работе было показано, что повышенную реакционную способность графеновых дефектов можно использовать для их локализации в пространстве и сортировки по химической активности. Методика поиска графеновых дефектов проста и поэтому эффективна.

На первой стадии готовится раствор комплекса палладия в органическом растворителе. При небольшом нагревании в этом растворе образуются наночастицы палладия. Добавление углеродного материала приводит к быстрой адсорбции наночастиц палладия на его поверхности, и этот процесс легко контролируется даже визуально: темно-красный раствор превращается в бесцветный.

Затем образец углеродного материала можно исследовать под микроскопом. На микрофотографиях отчетливо видно, что наночастицы группируются на точечных дефектах или выстраиваются в линии вдоль линейных дефектов. Более активные дефекты связываются с наночастицами металла более прочно. Значит, есть возможность не только установить пространственное положение дефектов, но и оценить их химическую активность.

В результате исследований было установлено, что на одном квадратном микрометре поверхности углеродного материала может быть до двух тысяч дефектов (реакционноспособных центров). При этом в некоторых случаях дефекты располагаются по поверхности в виде упорядоченных структур.

Предложенный метод — эффективный инструмент подбора условий для получения графеновых материалов с заданным пространственным расположением дефектов определенной химической активности. А это открывает путь для создания новых типов наноструктурированных катализаторов, в которых молекулы реагентов размещаются не хаотически, а только на выделенных и упорядоченных местах, то есть подвергаются предварительной организации. Это еще один контролируемый способ получения новых графеновых продуктов с заданными свойствами.

Дорогостоящее соревнование

«Исследование графеновых систем — чрезвычайно сложная задача на передовом крае современной науки. Провести работу подобного уровня нам удалось только при поддержке Российского научного фонда, обеспечившего достойное финансирование этого проекта», — подчеркнул руководитель работы профессор Анаников.

Помимо финансирования самих исследований, для графеновой гонки крайне важен доступ к новейшему оборудованию. Как правило, первыми добиваются успеха научные группы, располагающие уникальными установками. Наши ученые в своей работе использовали целый комплекс из высокопроизводительных установок — синхротрон во Франции, высокоразрешающий электронный микроскоп в Японии и мощнейший суперкомпьютер в Московском государственном университете.

Выполненное на суперкомпьютере молекулярное моделирование — принципиальный момент, поскольку теоретическое исследование представляет независимое доказательство природы наблюдаемых явлений. К счастью для российских ученых, суперкомпьютер МГУ, входящий в верхние строчки мирового рейтинга, обеспечивает такую возможность и делает российскую науку более конкурентноспособной в столь сложной и динамичной области науки.

Дефекты неизбежны и даже необходимы

Дефекты кристаллов — важнейший объект изучения физики и химии твердого тела. От концентрации дефектов напрямую зависят эксплуатационные характеристики изделий. Например, дефекты уменьшают механическую прочность материала, изменяют его токопроводящие свойства. В полупроводниковой промышленности стараются получить кристаллы полупроводниковых материалов с как можно меньшим количеством дефектов.

Если в области материаловедения дефекты играют, скорее, негативную роль и от них стараются по возможности избавиться, то в химии дефекты кристаллов весьма полезны. Так, в гетерогенном катализе химическая реакция происходит на твердой поверхности частицы катализатора, и именно дефекты поверхности зачастую выполняют функцию каталитических центров, то есть мест, где и происходит каталитическая реакция. Поэтому для химии и химической технологии умение контролируемо управлять дефектами поверхности — это путь к созданию катализаторов с заданной каталитической активностью и селективностью (то есть способностью ускорять именно целевую реакцию из всего множества реакций, осуществимых с данным набором реагентов).

Такие каталитические системы активно используются в настоящее время как в крупнотоннажной химической промышленности (переработка нефти и газа, получение топлива), так и в тонком органическом синтезе (синтез лекарств и биологически активных соединений).

Обсудить
Наука и техника
 — 
00:01 29 апреля 2017
A cold water immersion experiment at Dachau concentration camp presided over by Professor Ernst Holzlöhner (left) and Dr. Sigmund Rascher (right). The subject is wearing an experimental Luftwaffe garment

Птичку жалко

Почему нацисты защищали права животных и уничтожали людей
Филипп Киркоров«Артист с головы до пят»
Почему люди любят Филиппа Киркорова
Талантливый мистер Демме
Фильмы, которыми запомнится режиссер Джонатан Демме
Приоткрытый авангард
Почему выдающееся искусство XX века нужно искать в провинции
Искатели растерянных женщин
Кино недели с Денисом Рузаевым: от «Затерянного города Z» до «Идеаля»
Брить или не брить
Поклонницы натуральной красоты массово отказываются от эпиляции
Красота момента
Самые популярные снимки Instagram за апрель
«Американцы — радостный народ»
Рассказ москвича, переехавшего в Сан-Франциско
CULVER CITY, CA - NOVEMBER 12: Founder, Snapchat Evan Spiegel (L) and model Miranda Kerr attend the Fifth Annual Baby2Baby Gala, Presented By John Paul Mitchell Systems at 3LABS on November 12, 2016 in Culver City, California. (Photo by Tommaso Boddi/Getty Images for Baby2Baby)Триумф ботана
Самый престижный жених современности — IT-магнат
Очеловеченный фургон
Длительный тест стильно-пассажирского VW Multivan
ОСАГО надо?
Автомобильные аварии, превращенные в искусство
Самые крутые локомобили
Машины, которые ездят по рельсам
Самые выдающиеся французские машины
10 автомобилей из Франции, ставших культовыми
Москва за нами
Какие квартиры можно купить в пределах МКАД по цене до трех миллионов рублей
Зависли на хате
Украинцы придумали дом, который может обойтись без российского газа
Чудеса селекции
Что получится, если скрестить квартиру с дачей: опыт россиян
Сносное настроение
Демонтаж жилых домов в Москве: что нужно знать
Вышка светит
Как выглядит частный особняк, побивший мировой рекорд этажности