В последние десять лет в мировой химии бурно развивается отрасль, связанная с получением ковалентных органических сеток (covalent organic frameworks, COF). Для ученых ЮУрГУ эта область научного знания представляет особый интерес. В настоящее время ведется активная работа в трех направлениях, так или иначе связанных с углеродными материалами. Главная цель – создание новой кристаллической формы углерода. О свойствах углеродных соединений, способах их применения и перспективах в данной области науки рассказывает старший научный сотрудник кафедры материаловедения и физикохимии материалов, инженер научно-образовательного центра «Нанотехнологии», кандидат химических наук Дмитрий Анатольевич Жеребцов.
– Существует три кристаллических формы углерода: алмаз, графит и фуллерен. Десятки лет назад была теоретически предсказана возможность существования других форм, с более сложным порядком расположения атомов, – объясняет исследователь. – За последние десять-пятнадцать лет в мире синтезировано уже несколько десятков различных форм ковалентных органических сеток. Все они отличаются ажурной пространственной архитектурой, образованной ароматическими ядрами, связанными между собой мостиковыми группами, что в целом составляет пространственную сетку. Мостики, используемые при синтезе COF, – это кислород- или азотсодержащие группы. При нагревании такие соединения полностью разлагаются. Если удастся создать аналогичную ковалентную органическую сетку, в которой мостиковые группы будут состоять только из атомов углерода, – чего еще никто в мире не сделал, – то при последующем термическом разложении сможем получить чистый углеродный материал. Его структура наследует структуру органического кристалла, ковалентной органической сетки, которую мы получаем при комнатной температуре.
Ажурная структура углеродных сеток предопределяет комплекс уникальных физических свойств вещества, таких как высокая электропроводность, химическая инертность, высокая удельная площадь поверхности, что обусловливает перспективность применения подобных материалов в электронике, газовых сенсорах и, прежде всего, в электрохимических устройствах: аккумуляторах, конденсаторах, топливных элементах, солнечных и водородных ячейках. Это позволит повысить качество электродов, уменьшить размер и массу электронных устройств.
– В настоящее время нами проведен синтез другого класса углеродных материалов: графитов с аномально высоким – до 30 массовых процентов – содержанием азота. Кристаллическая решетка у них точно такая же, как у графита – но часть атомов углерода замещена атомами азота. Это придает материалу более высокую электропроводность, увеличивает его химическую инертность в реакциях окисления на поверхности электродов, а также селективную адсорбцию катионов различных металлов или органических молекул, – рассказывает Дмитрий Жеребцов. – Материалы на основе легированного азотом графита представляют интерес для таких областей науки и техники, как электрохимия и производство сенсоров, способных чувствовать изменения концентрации газообразных и растворенных в жидкости веществ.
Исследования новых углеродных материалов в университете ведутся с 2005 года – за это время удалось добиться впечатляющих результатов. Одно из последних достижений – выращивание в виде монокристаллов и решение кристаллической структуры двух широко используемых в промышленности красителей, синтезированных более полувека назад. Это впервые удалось сделать в нынешнем году.
В числе главных текущих проектов – оформление патента на изобретение «Способ получения углеродных материалов с высоким содержанием азота». Кроме того, полученные в 2016–2017 годах образцы графита с высоким содержанием азота привлекли внимание ученых из Тайваня, Финляндии и Франции. В настоящее время формируются две заявки на международные гранты: российско-тайваньский и российско-французский. Мировой интерес к данной теме свидетельствует о значимости и перспективности проводимых изысканий.
Не менее важен, по мнению Дмитрия Жеребцова, тот факт, что для ведения исследований мирового уровня не обязательно иметь финансирование мирового уровня: затраты на синтез 84 образцов графитов, легированных азотом, составили за 2016–2017 год всего 200 рублей, на реактивы.
Также ученый рассказал и о других направлениях, смежных с темой получения углеродных материалов: «Главное из них – “Ковалентные органические сетки”. Второе – “Легированный азотом графит”, по нему уже идет международная работа с нашим участием. Третье – “Создание новых полициклических ароматических поверхностно-активных веществ”. В этой области в мире работает множество лабораторий и мы вполне можем идти в ногу с мировым сообществом. У таких веществ тоже много перспективных областей применения в технике: в составе солнечных элементов, жидких кристаллов, интересных для оптики и электроники».
В настоящее время в мире работы с углеродными материалами выходят на следующий, более высокий уровень, считает исследователь. Сложность поставленных задач требует больших временных ресурсов, ежедневного чтения значительного потока свежей научной литературы в данной области – преимущественно на английском языке.
– Когда по таким актуальным темам как, например, графены или нанотрубки, накоплен определенный багаж информации, ее количество переходит в качество, и вы, обозревая пирамиду знаний, которую строили по кирпичикам, читая научные работы, уже можете решить, на какое пустующее место положите свой кирпичик, чтобы ее достроить, – говорит Дмитрий Анатольевич.
В любой научной области, как отмечает Дмитрий Жеребцов, невозможно выполнить все разносторонние исследования в одиночку. Так, изучение углеродных материалов осуществляется совместно с Екатериной Барташевич, Вячеславом Авдиным, Вячеславом Еремяшевым, Ксенией Смоляковой, Денисом Винником, Фёдором Подгорновым, Сергеем Морозовым и другими учеными химического и физического факультетов, а также студентами университета.