Синтезом всем известного углерода в новых, невиданных ранее формах, занимается кандидат химических наук, старший научный сотрудник кафедры материаловедения и физикохимии материалов факультета материаловедения и металлургических технологий, инженер научно-образовательного центра «Нанотехнологии» ЮУрГУ Дмитрий Анатольевич Жеребцов.

Задача и её предыстория

Сверхзадача, которую в настоящее время поставили перед собой исследователи – создание нового класса углеродных материалов. Цель амбициозная, но и эффект от её достижения будет значительным. Тридцать лет назад появление фуллеренов и нанотрубок дало мощный толчок развитию физики, химии, электроники. Недавние открытия переключили внимание исследователей на новый класс объектов – графен и его производные. Все эти вещества – формы углерода.

Кристаллические формы углерода – это графит, алмаз и фуллерены. Вместе с тем, согласно теоретическим расчётам, возможно существование огромного нового класса соединений, состоящих только из атомов углерода, но при этом обладающих совершенно другими формами кристаллической решётки.

Особенности и возможности

Так же, как нанотрубкам и графену, новым материалам будут присущи уникальные физические свойства: высокие электрическая проводимость и механическая прочность, большая удельная площадь поверхности, значительная ёмкость по отношению к адсорбции органических и неорганических молекул, низкая плотность…

Подобные материалы могут быть востребованы, например, в электронике, аккумуляторах, топливных и солнечных элементах, конденсаторах, с их помощью можно будет осуществлять катализ и селективную адсорбцию в органическом синтезе, очистку воды и воздуха. Высокая удельная площадь поверхности, электрическая проводимость и химическая инертность новых углеродных материалов позволит изготавливать из них более эффективные электроды для жидкостных и газовых сенсоров. Их можно будет применять как компонент солнечных элементов для разложения воды с помощью солнечного света на водород и кислород, что позволит человечеству получить экологически чистый возобновляемый неисчерпаемый источник энергии. КПД и долговечность нового поколения солнечных элементов пока не слишком высоки, к тому же кремниевые солнечные панели дешевле, но замена их на углеродные – вопрос времени. Панели из перспективных углеродных соединений создаются уже сейчас. Не секрет, что запасы традиционных энергоносителей (газа, угля и особенно нефти) истощаются, их добыча становится всё сложнее и дороже. Стоимость нефти будет расти. К тому же, сжигая углеводороды, мы загрязняем атмосферу. Поэтому рано или поздно альтернативные источники энергии, в том числе солнечные батареи, станут выгоднее экономически.

А в быту и на производстве очень пригодятся эффективные адсорбенты для очистки жидкостей и газов, в том числе воды и воздуха.

На рисунке 1 представлены примеры молекул с высоким содержанием углерода, которые послужат сырьем для получения новых углеродных материалов.

В авангарде науки!

Несмотря на то, что химические формулы этих соединений известны уже более полувека, вырастить их монокристаллы впервые удалось только в этом году учёным ЮУрГУ. Основным способом для превращения подобных молекул в новые углеродные материалы исследователи выбрали синтез из этих молекул пространственных ковалентных сеток (Covalent Organic Frameworks, COF). Синтез COF в последние десять лет бурно развивается во всём мире. Различных COF к настоящему времени создано несколько сотен (рис. 2), но ни одна пространственная сетка не обладает полностью углерод-углеродным молекулярным каркасом.

Мостиками между крупными ароматическими молекулами служат азот- или кислородсодержащие группы. При нагревании выше шестисот градусов Цельсия COF разлагаются с разрушением этих мостиков и потерей ажурной пространственной структуры, превращаясь в плотный аморфный углерод, не имеющий ни научного, ни технического значения.

Дмитрий Жеребцов и его коллеги поставили перед собой цель сделать то, чего никто ещё не делал: получить COF, в которой мостиковые связи между ароматическими ядрами были бы только углерод-углеродными и не включали бы ни кислород-, ни азотсодержащих групп, неустойчивых при нагревании. Если эта сложнейшая задача будет решена, то станет возможным при термолизе такой COF получить углерод без разрушения углеродного каркаса исходного кристалла. Даже нагретый до тысячи градусов по Цельсию, такой материал будет состоять только из атомов углерода, упорядоченных в пространстве таким же образом, каким они были упорядочены в COF. А это будет уже новый класс соединений, более обширный и интересный, чем классы фуллеренов и нанотрубок.

Слоистые углеродные сетки можно будет расслоить на отдельные листы и получить тончайшие мембраны или фильтры, способные пропускать молекулы воздуха и воды, но задерживать вредные микроорганизмы. Это может быть полезно, например, в очистке жидкостей и газов, а также в медицине: скажем, если использовать такую мембрану в качестве повязки для открытых ран, то кислород и вода через неё пройдут, а вредоносные микроорганизмы – нет, а значит, рана или ожог не загноятся, но будут «дышать».

В настоящее время учёные активно исследуют свойства близких углеродных материалов: графитов с аномально высоким содержанием азота. Если в графите часть атомов углерода заменить на азот, графит приобретает новые свойства: высокую электропроводность, способность к специфической адсорбции катионов металлов и органических молекул, повышенную устойчивость к окислению в электрохимических устройствах (таких, как аккумуляторы, конденсаторы, топливные и солнечные элементы).

Для работы учёные ЮУрГУ используют автоклавы оригинальной конструкции, созданные по их собственным чертежам.

Кто работает над проектом

Синтез новых соединений проводится на кафедре материаловедения и физикохимии материалов, а исследование свойств – в НОЦ «Нанотехнологии». Неоценимую помощь оказали блестящие специалисты физического, химического и других факультетов ЮУрГУ – доктора наук: Вячеслав Викторович Авдин, Екатерина Владимировна Барташевич, Вячеслав Евгеньевич Еремяшев; кандидаты наук: Фёдор Валерьевич Подгорнов, Денис Александрович Винник, Ксения Романовна Смолякова, Сергей Иванович Морозов и Владимир Евгеньевич Живулин, а также Сергей Владимирович Мерзлов, Роман Сергеевич Морозов и Дмитрий Евгеньевич Живулин. В исследованиях принимают участие студенты факультета материаловедения и металлургических технологий и химического факультета.

Работа привлекла внимание зарубежных коллег – из Франции, Финляндии и Тайваня. Скоро для совместной работы с южно-уральскими исследователями из Индии приедет высококвалифицированный специалист Sakthi Dharan.

За рубежом на специальном оборудовании исследуют свойства полученных в ЮУрГУ графитов с высоким содержанием азота. Тайваньская и финская группы ведут рентгенофлуоресцентные и магнитные исследования полученного графита. Французская группа исследует его электрохимические свойства. В Москве изучают структуру органических веществ.

Проводимые исследования ложатся в основу публикаций в высокорейтинговых научных журналах и становятся предметом для написания заявок на гранты. Дмитрий Анатольевич Жеребцов отмечает, что темы для исследований появляются благодаря чтению большого числа научных статей, прежде всего на английском языке. При этом формируется представление о новых областях науки, становятся понятными те важные нерешенные задачи, которым пока не было уделено должного внимания в мире и над которыми можно работать на имеющимся в ЮУрГУ оборудовании без больших материальных затрат. Так, синтез азотсодержащих графитов в 2016–2017 годах потребовал всего двести рублей – на реактивы. «Читайте! Думайте! Ищите свою тему! – говорит Дмитрий Анатольевич своим студентам и аспирантам. – Находите себе сложную задачу, которую можно решить простыми методами!».