Результат научного исследования непредсказуем. Решая какую-либо задачу, ученые зачастую находят нечто совершенно новое.
Важный шаг в получении материалов будущего сделал коллектив ученых ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» – исследователи получили синтетические аналоги природных минералов валлериита и точилинита. Как выяснилось, новые материалы состоят из чередующихся двумерных слоев и могут быть отнесены к 2D-материалам. Еще недавно такие структуры были неизвестны людям. За первый, полученный, по легенде, с помощью скотча и обычного карандаша графен исследователи были удостоены Нобелевской премии. Кстати, первооткрыватели графена – Андрей Гейм и Константин Новоселов – ученые российского происхождения.
Материал будущего
Чем же оказался интересен графен? Это материал, имеющий длину и ширину, но не имеющий толщины – вернее, толщина графеновой пленки измеряется считанными атомами. Она в 60 раз меньше размеров самого маленького вируса. При этом обладает колоссальной прочностью, в 10 раз превосходя по этому показателю сталь. Он прозрачен, прекрасно проводит тепло и электричество. Перспективы применения такого материала огромны во множестве отраслей: оптике, микроэлектронике, медицине, химии… Список можно продолжать. И везде он может произвести революционные изменения. Проблема в том, чтобы научиться получать стабильные 2D-материалы дешево и в промышленных масштабах.
После открытия графена начался настоящий бум. Оказалось, что есть и другие 2D-материалы. Правда, их пока не так много, но ученые всего мира ведут активный поиск новых. И красноярцам удалось сказать здесь свое слово, получив два новых 2D-материала. Причем наши ученые использовали дешевый автоклавный метод синтеза.
Как рассказал нам кандидат химических наук, научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН Роман Борисов, изначально задача была связана с основной специализацией региона – цветной металлургией и переработкой сырья. Дело в том, что природные минералы валлериит и точилинит находятся в составе руд Норильского промышленного района. Минералы содержат металлы платиновой группы. Однако они трудно извлекаемы. Поэтому изначально ставилась задача исследовать минералы на предмет возможности извлечения из них ценных металлов. В процессе исследований выяснилось, что найти чистый валлериит или точилинит чрезвычайно проблематично. Поэтому задачу изменили – ученые решили получить синтетический аналог минералов, чтобы исследовать его свойства и поведение в горно-металлургической цепочке.
Необычные свойства
Мы попробовали синтез, разработали условия, – рассказывает Роман Борисов. – В литературе было совсем немного данных, хотя синтезировать такие материалы уже пытались. Но выход составлял где-то менее 50 процентов, а то и меньше. Синтетические минералы или материалы шли с примесями.
Нам удалось скомбинировать несколько методик, предложить новые идеи, и мы получили достаточно чистые минералы. На первых этапах выход был где-то 90 процентов, а впоследствии получился около 100 процентов.
Когда получили эти материалы, мы, естественно, начали исследовать их свойства. Их характерная особенность – это слоистая структура, то есть в них чередуются слои сульфидов и слои гидроксидов. И синтетические материалы у нас получились в виде нанохлопьев размером порядка 200 нанометров латеральный размер, а в толщину это стопка где-то 10−20 атомных слоев. То есть эти материалы можно отнести к классу двумерных.
Ученые подобрали условия для гидротермального синтеза двумерного наноматериала, позволяющие получить практически чистые, без примесей, наноразмерные частицы валлериита. Этот способ синтеза оказался простым и хорошо воспроизводимым. Растворы реагентов смешиваются и загружаются в автоклав, который нагревается до 160 °С при постоянном перемешивании. Примечательно, что установка для синтеза была сконструирована более 30 лет назад, но по своим параметрам до сих пор не уступает аналогичному оборудованию ведущих мировых производителей. Помимо этого, удалось ввести в материал добавочные элементы без нарушения его структуры. Это позволяет тонко настраивать строение сульфидно-гидроксидных слоев и приводит к появлению уникальных физических свойств.
Пока мы устанавливаем влияние состава на некоторые свойства, изучаем строение этих материалов, пытаемся менять слои, например, внедрять алюминий, никель, кобальт, цинк, и смотрим, что будет получаться, – рассказывает Роман Борисов. – Свойства этих материалов меняются в зависимости от строения и состава. Одна из последних работ в прошлом году была посвящена термическим свойствам 2D-материалов. Было установлено, что введение добавок алюминия повышает термоустойчивость этих материалов. Сейчас мы исследовали проводимость материалов, но эти данные пока еще не опубликованы. Хотелось бы отметить, что неоценимый вклад в развитие этих работ вносит кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН Максим Лихацкий.
Исследования и перспективы
И еще одно важное направление в исследовании 2D-материалов – красноярские ученые пытаются научиться «сшивать» чешуйки синтетических минералов, чтобы получить равномерную пленку. Понятно, что такая пленка может представлять значительный интерес для самых различных отраслей. Например, чередование в сверхтонком материале проводящих и диэлектрических слоев теоретически позволяет создавать микросхемы, по своим параметрам превосходящие самые современные аналоги на традиционных кремниевых пластинах. То есть появляется возможность создавать компьютеры, на порядки более мощные и производительные, чем те, которые используются сегодня.
Остается надеяться, что разработки сибирских ученых не останутся лишь на «академическом» уровне. Ведь в лабораториях Института химии и химической технологии СО РАН занимаются и другими интересными вещами. Например, красноярские ученые первыми в мире создали раствор со сверхвысоким содержанием наночастиц серебра. Такой раствор также может использоваться в современной микроэлектронике. На его основе можно изготовить чернила для трехмерной печати и создавать тончайшие микросхемы. Перспективны такие растворы и в медицине. Так, наши ученые синтезировали композит из наночастиц серебра и антибиотиков. Активность композита против болезнетворных организмов существенно превышает активность антибиотиков.
Новые достижения наших ученых показывают, что даже в условиях санкций российская наука не только не отстает от мировой, но и в ряде случаев опережает ее.
