Наука и технологии России

Вход Регистрация

«Зелёнка» для графена

Графен по праву считается материалом будущего. Графен называют 2D материалом, ведь его толщина составляет один атом углерода, но при этом он отличается прочностью, а также ещё целым рядом полезных свойств. Но, как любой материал, графен подвержен различным повреждениям. Учёные из Института органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН (ИОХ РАН) под руководством заведующего лабораторией металлокомплексных и наноразмерных катализаторов, профессора Валентина Ананикова разработали в рамках международного проекта метод визуализации подобных дефектов. Подробно новый метод описан в статье журнала Chemical Science.

Увидеть проблему

Графен перспективен для применения в самых различных сферах. На основе графеновых систем разрабатываются новые биомедицинские приложения, сверхпрочные материалы, высокоэффективные устройства преобразования света и катализаторы для химической промышленности, электронные компоненты нового поколения.

Визуализация_дефекта_графена Визуализация дефекта графена с использованием химического маркёра. Источник: Лаборатория В.Ананикова, ИОХ РАН (AnanikovLab.ru)

Основная проблема обнаружения дефектов в графене заключается в том, что такие «дырки» могут иметь различные размеры и формы. При этом в силу динамической природы и флуктуаций материала традиционные аналитические методы нахождения дефектов неоправданно длительны и малоэффективны.

Учёные ИОХ РАН предложили использовать контрастное вещество – растворимый комплекс палладия. Он избирательно прикрепляется к дефектным областям на поверхности углеродных материалов, образуя наночастицы металла, которые могут быть легко зафиксированы с помощью обычного электронного микроскопа.

«Выбор соединения-маркёра – ключевой вопрос для создания успешного контрастного реагента», – рассказал Валентин Анаников. Идеальный контрастный реагент должен обладать двумя ключевыми свойствами. Во-первых, он должен присоединяться к исследуемой поверхности, не искажая имеющуюся картинку дефектов. То есть, сам реагент не должен влиять на структуру материала. А во-вторых, маркёр должен селективно отмечать только те участки поверхности углеродного материала, которые содержат дефекты.

«Выбранный в результате работы растворимый комплекс палладия Pd2dba3 отвечает этим параметрам и показал хорошие результаты в визуализации дефектов. К тому же этот комплекс является известным и легко доступным», – подчеркнул учёный.

Повреждения_графена Пространственное изображение повреждений различных типов, сделанное с использованием растворимого комплекса палладия. Зелёные и голубые стрелки – точечные дефекты различных размеров (рис. а и b); красные стрелки – линейные дефекты (рис. a, c и e); красные пунктирные линии отмечают межзёренные границы (рис. d); оранжевые стрелки – приграничные дефекты (рис. а-с, е); жёлтые стрелки – топологические дефекты. Источник: Chemical Science (2015), (с) Royal Society of Chemistry

Чем сильнее дефект – тем прочнее связывание углерода с частицами реагента, и процедура визуализации проходит быстрее. Разработанный метод позволяет составлять 3D карту исследуемых графеновых слоёв, где отображаются все повреждения. Важно, что на такой карте дефект будет охарактеризован не только с точки зрения нарушения геометрических параметров кристаллической решетки, но и по отличиям в химической активности. Таким образом, этот подход помогает визуализировать химическую реакционную способность данного материала.

Дырки со смыслом

Интересно, что в зависимости от сферы применения графена нужны различные его свойства, и в некоторых случаях дефекты могут оказаться преимуществом. В большинстве случаев для успешного применения его поверхность должна быть идеально ровной. Благодаря таким его свойствам, как электропроводимость и прозрачность для света, графен рассматривается как основа электродов нового типа для солнечных батарей, жидкокристаллических экранов и прочих электронных приборов.

Но идеальный графен, без дефектов, нужен не везде. «Для химических приложений, для катализа и создания сенсоров перспективны графеновые системы с определёнными типами дефектов.

Именно вблизи дефектных участков происходят наиболее интересные химические реакции. В таких случаях дефекты даже иногда вводятся специально», – пояснил Анаников.

Как показывают полученные учёными результаты, на одном квадратном микрометре поверхности обычного углеродного материала могут располагаться более 2000 реакционно-способных центров. При этом распределение дефектов не является хаотическим, и в ряде случаев наблюдается их упорядоченная структурная организация.

От наблюдения к управлению

Если сейчас исследователи научились распознавать повреждения графена, то далее последует их нивелирование или модуляция.

«Теперь, когда мы можем получать информацию о типе и расположении дефектов, следующим этапом будет изучение их поведения, –

сказал Валентин Анаников. – Предполагается, что некоторые дефекты являются динамическими, то есть они не локализуются на одном месте, а могут мигрировать по поверхности графена. Если этой миграцией удастся управлять, то мы получим возможность формировать идеальные поверхности или же, наоборот, стабилизировать поверхности, богатые дефектами. Это предмет исследований в ближайшее время».

РЕЙТИНГ

4.25
голосов: 4

Обсуждение