Чем глобальнее цель, тем важнее результат. Учёные Южно-Уральского университета ставят перед собой сложнейшую задачу — создать новые кристаллические формы углерода с высоким содержанием азота. В век бурного развития нанотехнологий Индустрии 4.0 использование данных материалов в электрохимии и электронике позволит человечеству значительно усовершенствовать составляющие элементы электронных устройств.
В последние 10 лет в мировой химии бурно развивается отрасль, связанная с получением ковалентных органических сеток (covalent organic frameworks, COF). Для ученых Южно-Уральского государственного университета данная сфера научного знания представляет особый интерес. В настоящее время ведется активная работа в трех направлениях, так или иначе связанных с углеродными материалами. Главной целью является создание новой кристаллической формы углерода. О свойствах углеродных соединений, способах их применения и перспективах в данной области науки рассказал старший научный сотрудник кафедры «Материаловедение и физикохимия материалов», инженер научно-образовательного центра «Нанотехнологии», кандидат химических наук Дмитрий Жеребцов.
«Существует три кристаллических формы углерода: алмаз, графит и фуллерен. Десятки лет назад была теоретически предсказана возможность существования других кристаллических форм углерода, в которых атомы располагаются более сложным образом.
За последние 10—15 лет в мире синтезировано уже несколько десятков различных форм ковалентных органических сеток. Все они отличаются ажурной пространственной архитектурой, образованной ароматическими ядрами, связанными между собой мостиковыми группами, что в целом образует пространственную сетку. Мостики, используемые при синтезе ковалентных органических сеток (COF), — это кислород- или азотсодержащие группы. При нагревании такие соединения претерпевают полное разложение. Если нам удастся создать аналогичную ковалентную органическую сетку, в которой мостиковыми группами будут являться только атомы углерода (что еще никто в мире не сделал), то при последующем термическом разложении мы сможем получить чистый углеродный материал. Его структура наследует структуру органического кристалла, ковалентной органической сетки, которую мы получаем при комнатной температуре», — поясняет Дмитрий Анатольевич.
Ажурная структура углеродных сеток предопределяет комплекс уникальных физических свойств материала, таких как высокая электропроводность, химическая инертность, высокая удельная площадь поверхности. Данный набор свойств обусловливает перспективность применения материалов в электронике, в газовых сенсорах и, прежде всего, в электрохимических устройствах: аккумуляторах, конденсаторах, топливных элементах, солнечных и водородных ячейках. Это позволит повысить качество электродов, уменьшить размер и массу электронных устройств.
«В настоящее время нами проведен синтез другого класса углеродных материалов — графитов с аномально высоким содержанием азота (до 30 массовых процентов азота). Они имеют кристаллическую решетку, неотличимую от графита. Но часть атомов углерода в их структуре замещена атомами азота. Это придает такому материалу более высокую электропроводность, увеличивает его химическую инертность в реакциях окисления на поверхности электродов, а также увеличивает селективную адсорбцию катионов различных металлов или органических молекул на таких богатых азотом материалах, — рассказывает Дмитрий Жеребцов. — Материалы на основе легированного азотом графита представляют интерес для таких областей науки и техники, как электрохимия и сенсоры, способные чувствовать изменения концентрации либо газообразных, либо растворенных в жидкости веществ».
Исследование новых углеродных материалов в университете ведется с 2005 года, при этом достигнуты серьёзные результаты. Так, одним из последних достижений является выращивание в виде монокристаллов и решение кристаллической структуры двух широко используемых в промышленности красителей, синтезированных более 50 лет назад. Это удалось сделать впервые в 2017 году.
.png)
.png)
Одним из главных текущих проектов является оформление патента на изобретение «Способ получения углеродных материалов с высоким содержанием азота». Кроме того, полученные в 2016—2017 годах образцы графита с высоким содержанием азота привлекли внимание ученых из Тайваня, Финляндии и Франции. В настоящее время формируются 2 заявки на международные российско-тайваньский и российско-французский гранты. Мировой интерес к данной теме показывает значимость проводимых исследований, их перспективность.
Не менее важным, по мнению Дмитрия Жеребцова, является тот факт, что для ведения исследований мирового уровня не обязательно иметь финансирование мирового уровня. Ведь синтез 84 образцов графитов, легированных азотом, был проведен при затрате всего 200 рублей на реактивы (за 2016—2017 гг.). Также ученый рассказал и о других направлениях, смежных с темой получения углеродных материалов.
«Главное из направлений — «Ковалентные органические сетки». Второе направление — «Легированный азотом графит», по которому уже идет международная работа с нашим участием. Третьим направлением является «Создание новых полициклических ароматических поверхностно-активных веществ». В данной области работает множество лабораторий в мире, и здесь мы вполне можем идти в ногу с мировым сообществом. Такие вещества также имеют множество перспективных областей применения в технике: в составе солнечных элементов, жидких кристаллов, интересных для оптики и электроники».
В настоящее время в мире работы с углеродными материалами выходят на следующий, более высокий уровень, считает ученый. Сложность поставленных задач требует больших временных ресурсов, ежедневного чтения значительного потока свежей научной литературы по данной области знаний, преимущественно на английском языке.
«После накапливания определенного багажа знаний по таким горячим темам, как, например, графены или нанотрубки, количество информации переходит в качество, и та пирамида знаний, которую вы строили по кирпичикам, читая научные работы, позволяет вам решить, в какое пустующее место вы поставите свой кирпичик и достроите эту пирамиду».
В любой научной области, как отмечает Дмитрий Анатольевич, невозможно выполнить все разносторонние исследования в одиночку. Так, изучение углеродных материалов осуществляется совместно с исследователями Химического и Физического факультетов ЮУрГУ (Екатерина Баташевич, Вячеслав Авдин, Вячеслав Еремяшев, Ксения Смолякова, Денис Винник, Федор Подгорнов, Сергей Морозов и др.) и студентами университета.