Хіміки з Інституту органічної хімії ім.Н.Д. Зелінського РАН придумали спосіб просто і швидко знайти дефекти в атомарній структурі графена.
З моменту відкриття графену багато хто передрікав стати матеріалом століття, який замінить собою цілий ряд традиційних матеріалів. Незважаючи на дійсно унікальні властивості цього нового матеріалу, графенові технології ще тільки починають розвиватися, зустрічаючи нові проблеми і відкриваючи нові можливості.
Тонка структура товщиною всього в один атом вуглецю дозволяє йому надзвичайно ефективно проводити електричний струм і тепло. Але, хоча у графена дійсно багато видатних властивостей, існує цілий ряд складнощів, які перешкоджають його тріумфальній ході в промислове виробництво. Одна з них - це складність отримання структури без дефектів. Справа в тому, що для практичних додатків найбільш цікавий графен з поверхнею, максимально наближеною до ідеальної. І тут дослідники стикаються з питанням, як же відібрати зразки «хорошого» графена для своїх експериментів. Новий спосіб виявлення дефектів запропонували хіміки з Інституту органічної хімії ім.Н.Д. Зелінського РАН.
Що таке дефект у структурі графена і чому так важко його виявити? Ідеальний графен - це площина, утворена правильними шестикутниками з атомів вуглецю. Якщо в такій структурі відсутній один або кілька атомів, то на їх місці утворюється дірка. Можуть бути й інші спотворення, наприклад, якщо замість шестикутника опиниться п'ятикутник або семикутник. Такі графенові дефекти можуть мати різні розміри і форму. Однак проблема полягає ще й у тому, що ці дефекти не статичні і можуть змінюватися з часом. Нобелівський лауреат Костянтин Новоселов в одній зі своїх робіт показав, що штучно створені отвори в структурі за певних умов можуть мимовільно затягуватися. Все це робить завдання пошуку дефектів у графені непростим і трудомістким заняттям. Але будь-яка, навіть найскладніша проблема має своє рішення. Наукова група під керівництвом професора Валентина Ананікова знайшла оригінальний спосіб виявлення таких дефектів.
Дефект на поверхні змінює не тільки геометрію поверхні, а й хімічні властивості матеріалу навколо цього місця. Наприклад, деякі каталізатори - речовини, що прискорюють хімічні реакції, працюють через дефекти своєї структури. Атоми, які знаходяться не зовсім там, де «треба» з точки зору ідеально структурованої речовини, стають хімічно активними, і саме на них починають протікати реакції. Те саме стосується і дефектів графену - хімічна активність атомів вуглецю в цих областях відрізняється від активності атомів на решті поверхні. Саме цю властивість використовували хіміки у своєму проекті - вони розробили спеціальну речовину, що містить атоми металу паладію, яка вибірково прикріплюється до дефектних областей на поверхні графена.
Коли такий хімічний комплекс реагує з активними центрами на поверхні, то в цих місцях утворюються наночастинки паладію, які можна запросто спостерігати за допомогою електронного мікроскопа. Чим більш активний вуглецевий центр або дефект, тим міцніше пов'язування з частинками металу. Таким чином, дефекти на вуглецевій поверхні і активні центри можуть бути нанесені на карту з високою роздільною здатністю, яка покаже не тільки відмінності в будові, але і хімічну активність різних областей.
Визначення дефектних центрів на вуглецевій поверхні за допомогою розроблених палладієвих маркерів дає ще й унікальну можливість вивчити реакційну здатність графенових шарів. Дослідники встановили, що на одному квадратному мікрометрі поверхні, а це приблизно в тисячу разів менше площі людського волосся, можуть перебувати більше 2000 реакційних центрів. При цьому вони розташовані не хаотично, а з цілком упорядкованою структурою.
Як зазначає професор Ананіков, розроблений метод на кшталт широко використовуваного в медицині діагностичного методу - томографії з використанням контрастних реагентів для підвищення точності та спрощення спостережень.
Результати дослідження опубліковані в статті «Spatial imaging of carbon reactivity centers in Pd/C catalytic systems» (автори E. O. Pentsak, A. S. Kashin, M. V. Polynski, K. O. Kvashnina, Pical Iatzel. V.
Підпис до фото 2: Різні види дефектів структури графену, виявлені за допомогою паладієвого маркера. Зелені і блакитні стрілки - точкові дефекти, червоні - лінійні, помаранчеві - прикордонні, жовті - топологічні, червоні пунктирні лінії відзначають межі між зернами. джерело: Chemical Science (2015), (с) Royal Society of Chemistry