г. Москва, Ленинский проспект, 47
Телефон: +7 499 137-29-44
Факс: +7 499 135-53-28
20 мая 2015 г.

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

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

Валентин Анаников в 1996 году окончил Донецкий государственный университет. Тогда же поступил в аспирантуру Института органической химии (ИОХ) имени Зелинского РАН. В 1999 году защитил кандидатскую диссертацию, а в 2003 году — докторскую. В 2008 году в возрасте 33 лет был избран член-корреспондентом РАН, став самым молодым членом РАН. В настоящее время руководит отделом в ИОХ РАН и лабораторией Санкт-Петербургского государственного университета, созданной на средства мегагранта.

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.

Изображение: Royal Society of Chemistry

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.

Некоторые типы дефектов в графене на примере небольшой нанопластины
Некоторые типы дефектов в графене на примере небольшой нанопластины
V. P. Ananikov et al


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.

Электронные микрофотографии с локализацией различных типов дефектов графена с помощью наночастиц палладия: зеленые и синие стрелки указывают на точечные дефекты различных размеров, красные — на линейные дефекты, оранжевые — на ступенчатые переходы между различными листами графена
Электронные микрофотографии с локализацией различных типов дефектов графена с помощью наночастиц палладия: зеленые и синие стрелки указывают на точечные дефекты различных размеров, красные — на линейные дефекты, оранжевые — на ступенчатые переходы между различными листами графена
V. P. Ananikov et al

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.

Локализация дефектов углеродных наноматериалов, значительно влияющих на их физико-химические и механические свойства — одна из важнейших задач современных нанотехнологий

Локализация дефектов углеродных наноматериалов, значительно влияющих на их физико-химические и механические свойства — одна из важнейших задач современных нанотехнологий
V. P. Ananikov et al

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.

«Лента.ру», 20 мая 2015 г.

Конференции, проводимые институтом:

Все конференции »

Важные события:

ХХ Молодежная школа-конференция по органической химии ХХ Молодежная школа-конференция по органической химии пройдет в Казани с 18-21 сентября 2017г.
Уникальная база данных микроскопических изображений создана ИОХ РАН в рамках гранта РНФ Институт органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН презентовал проект "Nano-space online", созданный в рамках реализации комплексной научной программы, поддержанной РНФ. Проект создан по инициативе лаборатории Валентина Ананикова. Познакомиться с проектом можно уже сейчас на сайте www.nano-space.online. Сайт работает в тестовом режиме.
Развитие метода электронной микроскопии и создание базы данных по  нанотехнологиям В среду 21 июня, в библиотеке ИОХ РАН состоялся семинар по вопросу развития метода электронной микроскопии и создания базы данных по нанотехнологиям.
ИОХ РАН возглавляет рейтинг среди российских научно-исследовательских учреждений (WRIR-2016) по направлению Европейская научно-промышленная палата (European Scientific-Industrial Chamber) опубликовала рейтинг Российских научно-исследовательских организаций − World Research Institutions Ranking − WRIR-2016 (РФ).
Базовая кафедра университета - в Российской академии наук Плодотворное и многолетнее сотрудничество академической и вузовской науки в лице Института органической химии имени Н.Д. Зеленского Российской академии наук и Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова сегодня вышла на новую – прогрессивную ступень интеграции.
Все события »