Евгений ПЕНЦАК:« Химия — интересный квест, когда пытаешься разрешить какую-то загадку»

Евгений Пенцак — инженер-исследователь Института органической химии РАН. В своей работе Евгений и его коллеги описали способ обнаружения дефектов на графеновой поверхности. Они разработали метод определения тысяч дефектов в углеродном материале с помощью стандартного микроскопического оборудования.

Кандидат химических наук Евгений Пенцак занимается реакциями кросс-сочетания, гетерогенным катализом, углеродными и металлическими наноструктурами, которые он исследует методом сканирующей электронной микроскопией.


Он признался, что химия для него не только работа, но и определенное увлечение:

— Такой интересный квест, когда пытаешься разрешить какую-то загадку, а разрешение загадки приносит удовлетворение.

По его словам, самые приятные открытия всегда происходят неожиданно. Чаще всего, когда ищешь что-то конкретное, пытаешься решить определенную проблему, и потом вдруг замечаешь совершенно другую вещь, которую не искал, но которая кажется настолько необычной и удивительной, что заставляет поменять исследовательскую задачу и сконцентрировать все свое внимание уже на этом новом предмете.

— Когда начинаешь выяснять, в чем причина необычного явления, то открываешь что-то новое,— считает молодой ученый.

К примеру, в статье "Пространственное отображение углеродных реакционных центров в каталитических системах Pd/C" о дефектах на графеновых поверхностях на явление визуализации дефектов наночастицами палладия молодой ученый натолкнулся случайно при микроскопических исследованиях, когда сам того и не ждал.

Графен — это одиночный плоский лист, состоящий из атомов углерода, связанных между собой и образующих решётку, каждая ячейка которой напоминает пчелиную соту. Расстояние между ближайшими атомами углерода в графене составляет около 0,14 нм.Выдающиеся качества графена во многом зависят от его строения: чем меньше дефектов, тем лучше свойства. Но углеродные дефекты могут иметь различные размеры и формы, а динамическая природа не позволяют оперативно обнаружить их с помощью обычных аналитических методов. Детальное исследование больших пространств графеновых поверхностей для выявления дефектных участков требует серьёзных затрат времени.

В своей работе Евгений и его коллеги описали способ обнаружения дефектов на графеновой поверхности. Они разработали метод определения тысяч дефектов в углеродном материале с помощью стандартного микроскопического оборудования. Для этого палладий стали использовать в качестве маркера дефектов, так как он взаимодействует с дефектными центрами и прикрепляется селективно к ним. Молекулы палладия прикрепляются к поврежденным участкам графена, что приводит к формированию наночастиц. Их можно обнаружить при помощи электронного микроскопа.

— Происходит визуализация дефектов на поверхности. Зачем это нужно? Каждый дефект является химически активным центром, и если происходят какие-то реакции на графеновой поверхности, то они в первую очередь идут на дефектных центрах, на центрах с измененной электронной плотностью. Дефект на поверхности меняет не только геометрию поверхности, но и химические свойства материала вокруг этого места.

В свою очередь выделение дефектных центров с помощью палладиевых маркеров даёт уникальную возможность изучить реакционную способность графеновых слоёв. Как правило, при нанесении на подложку наночастицы палладия распределяются на поверхности носителя равномерно и хаотично. Но исследуя один образец за другим, ученые обнаружили, что в некоторых случаях наночастицы металла образуют определенные упорядоченные структуры, выстраиваясь в линии и формируя необычные геометрические узоры.

— Это было очень необычно. Было непонятно, почему наночастицы образуют такие упорядоченные структуры. Мы определили, что это является результатом прикрепления атомов металла к дефектам, а уже сами дефекты распределены на частицах графита по определенным схемам",- рассказал молодой ученый.

Как показывают полученные результаты, с помощью этого метода можно исследовать зависимость активности и селективности катализатора от типа дефектов, к которым прикрепляются металлические наночастицы, и схем их распределения.

— Мы планируем использовать этот метод для получения более совершенных катализаторов, с большей селективностью и активностью. Эти катализаторы в дальнейшем смогут применяться в фармацевтике, агрохимии и для получения множества других продуктов тонкого органического синтеза. Кроме того, результаты исследования повлияют на многие другие отрасли химии и физики, связанные с применением углеродных материалов, — поделился
Е. Пенцак.

 [1] Pentsak E.O., Kashin A.S., Polynski M.V., Kvashnina K.O., Glatzel P., Ananikov V.P., ''Spatial imaging of carbon reactivity centers in Pd/C catalytic systems'',
Chemical Science,2015, 6 (6), pp. 3302-3313.
DOI: 10.1039/c5sc00802f