Учёные никогда не отдыхают. Такой вывод можно сделать, прогулявшись по коридорам университета в летние месяцы. В НОЦ «Нанотехнологии» Южно-Уральского государственного университета работа кипит независимо от времени года.
Дмитрий Жеребцов, старший научный сотрудник кафедры «Материаловедение и физикохимия материалов», инженер НОЦ «Нанотехнологии» рассказывает, что группа ученых-химиков ЮУрГУ занимается поиском новых кристаллических форм углерода.
Что такое кубовый краситель?
Около года в научно-образовательном центре» «Нонотехнологии» развивается новое направление, связанное с исследованием способов получения новых углеродных и органических материалов. Такие материалы могут быть получены из кубовых красителей, которыми человечество уже давно окрашивает текстиль и пластмассу, а также использует для струйных и лазерных принтеров.
«Кубовые красители интересны тем, что их молекулы похожи на плоские участки графена, которые состоят из связанных между собой шестиугольников, которых может быть от 6 до 12. Из них можно получать новые химические вещества, которые ещё неизвестны современной науке», — рассказывает Дмитрий Анатольевич.
К настоящему времени известно только 3 кристаллические формы углерода: алмаз, графит и недавно к ним был присоединен фуллерен. Все остальные его формы — некристаллические рентгеноаморфные вещества. Например, сажа, стеклоуглерод, нанотрубки. Это вещества не имеют дальнего трехмерного порядка в упорядочении атомов.
Одно из направлений, которым занимается Дмитрий Жеребцов и его коллеги — это создание на основе кубовых красителей полимерных органических кристаллов, превращающихся при прокаливании в углерод, который будет иметь кристаллическую решетку исходного органического кристалла, отличную от алмаза или графита.
«В 1985 году открыли фуллерены, а в 1991 году — нанотрубки, оба открытия дали химии огромный толчок вперёд. Мы ставим себе высокую планку: открыть новый класс углеродных материалов. Они должны встать в один ряд с классом алмазов, графитов, фуллеренов и нанотрубок. Назовём их условно „новый класс кристаллических форм углерода“. До сих пор в мире не было ни одной публикации на эту тему, поэтому в случае успеха мы имеем высокий шанс опередить зарубежных коллег», — говорит Дмитрий Анатольевич.
Российско-индийское партнёрство
В этом году благодаря реализации программы повышения конкурентоспособности Проект 5-100 университет набирает 12 постдоков со всего мира для развития приоритетных направлений науки. Команде Дмитрия представилась возможность пригласить молодого PhD с высоким рейтингом из Индии — Sakthi Dharan.
«Благодаря Управлению международного сотрудничества ЮУрГУ и помощи крупного мирового рекрутингово агентства, буквально за 10 дней к нам поступило более 10 заявок. Мы выбрали ученого из Индии. Уже с сентября он будет работать в ЮУрГУ в течение 2 лет», — поясняет Дмитрий Жеребцов.
Зарубежный коллега будет помогать нашим ученым синтезировать новый класс кристаллических форм углерода и класс поверхностно-активных ароматических веществ. Нет, это не парфюм, а серьёзная органическая химия. Просто связанные друг с другом в молекулы шестигранные кольца углерода называются ароматическими системами.
Новые ароматические материалы будут обладать уникальными физическими свойствами – хорошей электропроводностью, сравнительно высокой магнитной восприимчивостью, способностью поглощать солнечный свет, генерируя при этом пару «электрон-дырка». Эти свойства будут зависеть от ориентации кристалла. В перспективе их можно будет применять в различных датчиках и сенсорах, жидкокристаллических устройствах, а также в солнечной энергетике.
Нанофильтры на службе морского флота
Одна из кристаллических форм органических полимеров, которую Дмитрий и приглашенный в ЮУрГУ в рамках программы повышения конкурентоспособности Проект 5-100 постдок из университета Анны (Индия) Sakthi Dharan будут исследовать — это Covalent organic frameworks (COF) (ковалентные органические сетчатые кристаллы), популярное направление в химии в последние 15 лет. Его суть в том, что создается что-то похожее на слоистый кристалл графита, в котором углы ячейки образованы не одиночными атомами углерода, а коллективом из множества атомов – ароматических молекул. Сложная проблема, которую предстоит решить ученым – это выбрать особые молекулы для получения COF, сохраняющие при прокаливании нетронутым углеродный скелет. От такого кристалла можно будет отслаивать листы толщиной в 1 слой, аналогично отслаиванию листов графена. Через лист графена, однако, не сможет проникнуть ни одна молекула:
«Если мы создадим новый кристалл с определенным размером пор в слоях, то через эти поры смогут проникать все молекулы, которые по размеру меньше, к примеру, вода. А большие молекулы просто не пройдут через него. Это значит, что различные вирусы не смогут проходить через такой «фильтр». Получится что-то подобное плёночным мембранным технологиям, которые известны человеку давно, но вот на наноуровне, в виде однослойной углеродной пленки, таких ещё не создавалось»
Нанофильтры смогут сократить в 100-1000 раз размер и массу установок для очистки воздуха, обессоливания морской воды, которые есть во многих приморских городах, на авианосцах или подводных лодках.
Южноуральские ученые уже подали заявку на совместный грант с Тайванем, провели 22 предварительных опыта, благодаря которым увидели новые проблемы и спланировали новые подходы для их решения. Например, чтобы создать кристаллический материал нужно прочно закрепить молекулы в кристалле, сшивать их еще в твёрдом состоянии так, чтобы при нагревании они, разлагаясь до углерода, не теряли своего порядка, а сохраняли структуру исходного кристалла.
Справочно:
Постдок Sakthi Dharan приглашен в ЮУрГУ в рамках программы повышения конкурентоспособности Проект 5-100. Проект М. 2.2.1. «Создать систему привлечения молодых ученых, в т.ч. посредством внедрения системы международных открытых конкурсов, грантов с разработкой типового контракта, процедуры отбора кандидатов на позиции молодых НПР и формирования целей, задач, регламента и плана работы структурного подразделения, отвечающего за привлечение молодых НПР с обязательным согласованием с наблюдательным советом университета». Руководитель — Татьяна Юрьевна Субботина.