Графеновые «занавески» и муаровый эффект — метастабильные домены в углеродных материалах
По результатам работ, проведённых в лаборатории член.-корр. РАН В.П. Ананикова в Институте органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН, было высказано предположение, что границы доменов графеновых слоёв модулируют химические взаимодействия на поверхности углеродных материалов. Такое явление раскрывает интересные перспективы использования наноразмерных эффектов углеродных материалов в органической химии и катализе.
Графен — ультратонкая пленка толщиной всего в 1 атом сочетает в себе целый ряд уникальных свойств. Графеновые слои, накладываясь друг на друга, формируют графит, который находит применение в самых различных областях, от изготовления карандашных грифелей до использования в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах, получения искусственных алмазов, изготовления термостойких смазок, адсорбентов и множества других приложений.
В последние годы по всему миру проводятся детальные исследования графена и графита на молекулярном уровне. Учёные испытывают особый интерес к структурированию (трехмерной пространственной организации) этих углеродных материалов. Графит на молекулярном уровне состоит из множества доменов с регулярными (идеальными) структурами, которые, срастаясь, формируют границы доменов. По некоторым предположениям, наиболее интересные физические и химические явления и процессы происходят именно вблизи границ доменов.
По результатам работ, проведённых в лаборатории член.-корр. РАН В.П. Ананикова в Институте органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН, было высказано предположение, что границы доменов графеновых слоёв модулируют химические взаимодействия на поверхности углеродных материалов. Такое явление раскрывает интересные перспективы использования наноразмерных эффектов углеродных материалов в органической химии и катализе.
Рисунок 1. Появление разнонаправленных чередующихся тёмных и светлых полос обусловлено морфологией образца и его доменной структурой (образец графита с нанесёнными наночастицами Pd; STEM исследование).
Явления, происходящие на границах углеродных доменов, весьма сложно изучать, поскольку нет однозначного способа для быстрого определения топологии домена. Напрямую «увидеть» домены и их границы при помощи обычной техники — весьма проблематичная задача. Для обнаружения границ домена в углеродном материале авторы обратили внимание на муаровый эффект. Муаровый эффект, наверняка, наблюдал каждый из нас — например, когда части тюлевых занавесок, накладываясь друг на друга, образуют новый узор. Визуально, муаровый узор представляет собой чередование темных и светлых полос, и именно такие проявления наблюдаются при изучении образцов исследуемых углеродных материалов с помощью электронной микроскопии (рис. 1).
Другим методом визуализации доменных структур было нанесение наночастиц палладия на поверхность образцов. Предположительно, наночастицы должны оседать на поверхности не хаотично, а по границам доменов, поскольку электронная плотность внутренней части домена заметно отличается от электронной плотности на его границах. В ходе исследования при помощи сканирующего электронного микроскопа (SEM) были получены изображения, на которых видно, что частицы палладия действительно выстраиваются вдоль границ доменов. Сканирующая просвечивающая электронная микроскопия (STEM), которая позволяет проникнуть внутрь материала и исследовать его подповерхностные области, подтвердила это наблюдение и показала наличие дополнительных цепочек из наночастиц. Сопоставление границ доменов, отображённых при помощи муарового эффекта и при помощи нанесения наночастиц, показало интересную картину (рис. 2; рис. 1).
Рисунок 2. Нанесение наночастиц Pd на углеродный материал (образец графита с нанесёнными наночастицами Pd; STEM и SEM исследование одного участка поверхности).
В данный момент в точности неизвестно, по какому принципу выстраиваются обнаруженные при помощи микроскопии частицы. Однако, полученные результаты свидетельствуют, что частицы, находящиеся на поверхности, обладают способностью «чувствовать» изменения электронной плотности внутри графита. Авторы высказали предположение о существовании более сложных трехмерных углеродных структур, которые и модулируют такие взаимодействия.
Системы с наночастицами металлов, нанесёнными на поверхность углеродных материалов, являются широко известными катализаторами для разных областей химической промышленности, получения лекарственных препаратов, нефтепереработки и создания новых материалов. Понимание влияния углеродной матрицы имеет ключевое значение для развития промышленности и создания новых катализаторов.
Статья «Modulation of chemical interactions across graphene layers and metastable domains in carbon materials» Evgeniy O. Pentsak, and Valentine P. Ananikov опубликована в журнале Mendeleev Communications.
Библиографическая ссылка: Mendeleev Commun., 2014, 4, 327 — 328.
DOI: 10.1016/j.mencom.2014.11.002.
Он-лайн ссылка: http://dx.doi.org/10.1016/j.mencom.2014.11.002
Опубликовано: 2014-12-14
