Какими свойствами обладает графен? Как получают углеродные нанотрубки? Каким образом создают новые наноматериалы? Об этом рассказывает профессор, PhD in Crystallography Артем Оганов.

Мы привыкли жить в трехмерном мире. Мы привыкли к трехмерным, объемным материалам, которые подчас имеют похожие или даже идентичные свойства во всех трех направлениях. Мы редко задумываемся о том, что есть целый класс материалов, которые живут в двумерном измерении, в двумерном пространстве, одномерном пространстве и даже, может быть, в нульмерном пространстве.

Что я имею в виду? Что это материалы, которые имеют протяженные размеры в двух или в одном измерении (или даже в нуле измерений), а в одном, двух или трех измерениях имеют конечные и очень малые размеры — размеры, сопоставимые с размером атома. Например, двумерный слой графена. Это классический двумерный материал, который ведет себя как кристалл в двух измерениях и как конечный объект одноатомной толщины в третьем измерении. Такого рода объекты имеют ряд интереснейших свойств — физических, а также химических — и массу возможных или уже используемых применений в технологии.

Опять же пример графена. Это очень интересный пример, потому что в графене, в отличие от объемного графита — хотя, казалось бы, разница такая маленькая (графит — это стопка слабосвязанных графеновых слоев, которые достаточно на большом расстоянии находятся друг от друга), — электроны распространяются как релятивистские частицы, не имеющие массы. То есть нужно использовать уравнение теории относительности, для того чтобы понять свойства электронов, мобильных электронов, в графене. Тот же графен является одним из рекордсменов по механическим свойствам — таким свойствам, как модуль Юнга, таким свойствам, как прочность на разрыв.

Другим рекордсменом с довольно похожими свойствами является целый класс материалов под названием «углеродные нанотрубки». Они тоже невероятно прочны и очень жесткие. Это тоже материалы низкоразмерные, углеродные нанотрубки являются одномерными материалами, графен является двумерным материалом. И на самом деле углеродные нанотрубки можно получить достаточно простой операцией сворачивания графенового листа. Если вы берете лист и сворачиваете его в трубочку (это может быть однослойная трубочка, а может быть и многослойная), вы получаете как раз углеродную нанотрубку. Эти материалы крайне интересны. Вы можете пойти дальше, вы можете дальше округлить концы этой нанотрубки и сделать из нее шар. Это будет фуллерен. Фуллерены — это нульмерные системы, это фактически кластер, наночастицы углерода, которые также очень хорошо известны в природе, и люди их получают синтетически, они уже имеют ряд различных применений. И особенно много применений планируется для такого рода наночастиц.

Рекомендуем по этой теме:
FAQ
FAQ: Нанотрубки из углерода и нитрида бора

Нульмерные системы — это наночастицы, одномерные системы — это полимеры и нанотрубки, двумерные системы — это двумерные кристаллы типа графена, а также поверхности кристаллов. Поверхность кристалла — это крайне интересное состояние, которое я люблю называть экстремальным состоянием. Обычно, когда люди говорят об экстремальных состояниях, имеют в виду высокие давления, высокие температуры, может быть, сверхвысокие магнитные или электрические поля. Но редко кто думает о том, что поверхность кристалла, то есть любая вообще поверхность твердого вещества, то есть то, к чему мы прикасаемся каждый день, — это тоже экстремальное состояние.

Почему? Потому что на поверхности твердого вещества у атомов разорвана примерно половина связей. Атомы чувствуют острую нужду восстановить эти потерянные связи. Они могут это делать различными способами: либо приближаясь к приповерхностным атомам, то есть как бы вдавливаясь внутрь, укорачивая и усиливая еще имеющиеся, еще сохранившиеся связи, за счет этого восстанавливая баланс; либо перегруппировываясь на поверхности и образуя новые связи, которых раньше не было. И таким образом, структуры на поверхности могут совершенно кардинально отличаться от структур в объеме. Если вы формируете эти новые связи, то это то, что называется реконструкцией. То есть перестройка (в хорошем смысле слова), перестройка поверхности кристалла, которая может приводить к совершенно новым структурам. Более того, образуются совершенно новые химические соединения на поверхности кристалла. И эти новые химические соединения мы называем поверхностными фазами.

Очень часто химический состав на поверхности может кардинальным образом отличаться от того, что находится внутри.

Очень часто поверхности кристалла имеют совершенно неожиданные свойства. И очень часто мы не понимаем почему. Но дело, скорее всего, именно в этой реорганизации атомов и образовании новых химических соединений на поверхности. Например, известно, что никель раздражает человеческую кожу, может даже являться канцерогеном. В то время железо, его ближайший сосед и родственник (да, железо, кобальт, никель — в периодической системе), или кобальт не обладают такими свойствами. Или, например, известно, что пыль, тонкая пыль некоторых минералов, таких как кварц или силикат магния оливин, или другой силикат — асбест — приводят к раку легких. Почему — непонятно. Но дело явно в каких-то особенностях поверхности этих веществ.

Как предполагается, на поверхности образуются пероксид-ионы, то есть группировки, заряженные группировки из двух атомов кислорода. Могут быть и более сложные полиионы кислородные. Эти группировки обладают резко выраженными оксидантными свойствами. Они запускают каскад окислительных реакций, который в конце концов приводит к химическому изменению, к мутации ДНК. А это является как раз фактором, приводящим к образованию раковых клеток. Это один из примеров, один из очень многих примеров того, как на поверхности могут образовываться новые, экзотические структуры и соединения.

Очень простое вещество, структурно химически — кремний. На поверхности кремния образуются феноменально сложные структуры с огромным периодом решетки. Почему — достаточно трудно понять. В каждом кристалле можно выделить множество различных поверхностей. И у каждой из этих поверхностей будет своя химия, своя структура, свои поверхностные фазы. И таким образом, одно и то же вещество в одной и той же кристаллической структуре может давать целый диапазон различных поверхностных фаз, различных структур с абсолютно разными свойствами. Если вы вместо одной кристаллической модификации используете другую, там будет другая палитра этих поверхностей, другая палитра поверхностных фаз и структур, которые сами по себе будут зависеть и от температуры, и от условий среды, таких как активность разных химических компонентов. И в результате вы получаете уникальную возможность — подстраивать свойства вашей поверхности под нужды ваших приложений. Это колоссально расширяет возможности для дизайна материалов как теоретического, так и экспериментального.

Я хочу отметить, что поверхность кристалла — мало того что это то, с чем мы постоянно сталкиваемся, то, к чему мы прикасаемся, мало того что это то, что дает целую палитру разных экзотических химических состояний, — это еще то, чем активно пользуется химическая промышленность. Гетерогенный химический катализ. Катализ, который осуществляется как раз на поверхности вещества. И каталитические свойства вашего кристалла зависят не от того, какова его объемная структура, а от того, какова структура поверхности. Эта возможность варьировать, подстраивать структуру поверхности под ваши нужды как раз является ключевой, для того чтобы оптимизировать процесс химического катализа. Далее можно понизить размерность до одного. Да, кстати, в двумерных системах я еще могу отметить поверхности раздела фаз. Скажем, межзеренные границы или межфазные границы. Там тоже очень часто возникают экзотические состояния. Например, два диэлектрических кристалла, а на их границе возникает сверхпроводящее состояние. Такого рода вещи тоже существуют. И нам только предстоит разобраться, что же там происходит.

Рекомендуем по этой теме:
Видео
6664 6
Методы предсказания кристаллических структур

Многие исследователи, многие группы по всему миру активно изучают явления в этих низкоразмерных системах, поверхностях, двумерных кристаллах и так далее и тому подобное. Далее, если мы понизим размерность до одного, то возникает целый диапазон разных полимеров. Полимеры могут быть органическими (это самое привычное для нас состояние) и неорганическими. На самом деле большой кусок структурной неорганической химии — это как раз неорганические полимеры. Например, можно силикаты, значительную часть силикатов рассматривать именно как полимерные структуры. Что касается органических полимеров, то это вещества во многом уникальные. Здесь хочу отметить, что к полимерам принадлежат белки, к полимерам принадлежат, например, ДНК, РНК и многие другие важнейшие биологические молекулы. Фактически все биологические макромолекулы являются полимерными. Это, если хотите, одномерные материалы. И с этими одномерными материалами тоже можно добиваться самых разных свойств. Можно, например, допируя их электронами или дырками, приводить их в металлические состояния и за счет этого тоже получать интересные материалы с сочетанием механической прочности и особых типов проводимости.

Если мы идем к нульмерному состоянию, то мы приходим к наночастицам, к тому, что называют «кластеры» и «наночастицы». Наночастицы дают еще одну интересную возможность. Меняя размер наночастицы — если хотите, можно это выразить другими словами — меняя число атомов в наночастице, вы можете менять ее свойства. Какие свойства? Такие свойства, как электронные свойства, потенциал ионизации, сродство к электрону. Такие свойства, как ширину запрещенной зоны. Это значит, что минимальная энергия необходима для возбуждения электрона. А это определяет, между прочим, цвет в числе многих других вещей. Вы можете менять химическую реактивность, реакционную способность этих наночастиц и так далее и тому подобное. Это на самом деле одна из причин такого острого интереса к нанотехнологиям, который сейчас просыпается по всему миру. В том числе в России, как мы знаем, и в США, и в Китае.

Наночастицы позволяют вам изобретать материал с нужными вам свойствами, не придумывая нового материала.

Вы работаете все с тем же материалом, что и раньше, но с наночастицами другого размера. Простой пример: если вы берете взвесь наночастиц золота с разным диаметром, вы можете этой взвеси, просто меняя диаметр наночастиц золота, придать любой цвет — от синего до красного.

Между прочим, это было использовано, и тут не надо изобретать велосипед. Нанотехнологии на самом деле использовались еще с самых древних времен. Если вы посмотрите на цветные стекла, используемые в витражах, в них, например, красный цвет дается именно наночастицами золота. Это использовалось чуть ли не со времен древних римлян. Или, например, если вы посмотрите на дамасскую сталь, которая так отпугивала крестоносцев и прочих вторженцев на землю Востока, дамасская сталь обязана многими своими уникальными свойствами, как сейчас люди постепенно приходят к выводу, включению углеродных нанотрубок. Углеродные нанотрубки позволяют стали одновременно быть и прочной, и гибкой. Это пара примеров нанотехнологий в Древнем мире.

Я еще раз подчеркну, что, варьируя размерность (под размерностью я имею в виду как двумерность, одномерность, нульмерность, так и сам размер частиц), мы можем из уже хорошо известных материалов создавать совершенно новые материалы с экзотическими свойствами, с экзотическими структурами, с доселе неизведанной химией. И это новое измерение в материаловедении как раз является одной из самых горячих точек в современном дизайне новых материалов.