luckyea77 (luckyea77) wrote,
luckyea77
luckyea77

Category:

Ученые научились управлять химическим составом наночастиц


Химический состав и свойства микрообъектов, таких как наночастицы, могут принципиально отличаться от макрообъектов

Обнаружено множество новых и неожиданных наночастиц, а также способ регуляции их состава и свойств, и это открывает новые возможности для широкого использования наночастиц. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

Химический состав и свойства микрообъектов, таких как наночастицы, могут принципиально отличаться от макрообъектов (кристаллов, стекол). Многообразие свойств, казалось бы, одного и того же материала (скажем, оксида кремния), но состоящего из наночастиц разного размера, и возможность контролировать эти свойства и составляют суть нанотехнологий. Но как экспериментальное, так и теоретическое изучение структуры и состава наночастиц сталкивается с серьезными трудностями.

Ученые из Китая и России применили эволюционный алгоритм USPEX, разработанный профессором Сколтеха и МФТИ Артемом Огановым, для изучения широкого диапазона составов наночастиц. Они рассмотрели два класса наночастиц, важных для катализа: железо–кислород и церий–кислород. Было обнаружено, что так называемые магические наночастицы, обладающие повышенной стабильностью, могут иметь очень неожиданный химический состав (например, Fe6O4, Fe2O6, Fe4O13, Ce5O6, Ce3O12). Интересно, что исследователи количественно показали возможность регулировать состав таких наночастиц, изменяя параметры окружающей среды — температуру или парциальное давление кислорода.

«Если у кристаллов неожиданные структуры мы обычно находим при необычных условиях, то у наночастиц они могут встретиться и при нормальных условиях, например Si4O18 или Ce3O12», — рассказывает первый автор исследования, доцент Технологического университета провинции Шаньси Сяоху Ю, несколько лет проработавший в Москве, в лаборатории профессора Оганова в МФТИ.

Нанотехнологии — будущее технологий и материаловедения. Они позволяют из уже известных материалов получить фактически новые. Свойства материала в нанометровом диапазоне начинают очень сильно зависеть от размера частиц. То есть частицы размером меньше 100 нм при каждом новом размере — 90 нм, 50 нм, 20 нм, 10 нм — будут иметь разные свойства. Можно управлять свойствами материала, меняя размер частиц. И это открывает фантастические перспективы.

«Но, оказывается, все гораздо сложнее, — рассказал “Стимулу” Артем Оганов. — Можно было бы представить дело так: чем меньше размер частицы, тем больше атомов будет находиться вблизи поверхности. А на поверхности и внутри кристалла атомы будут иметь разные геометрические окружения, будут находиться в разном химическом окружении, и свойства их будут разными. Поэтому, меняя пропорцию атомов, которые находятся близ поверхности, вы меняете свойства вещества. Но это слишком наивная трактовка. Она тоже является одним из факторов, обусловливающих настраиваемость свойств наночастиц. Но это далеко не вся история. Дело в том, что можно управлять химическим составом наночастиц и их структурой. Наночастицы очень чувствительны, гораздо в большей степени, чем кристаллы, к параметрам среды. Например, меняя давление кислорода, можно менять состав оксидных наночастиц. Скажем, мы ожидаем, что оксид железа — это FeO, Fe2O3 или Fe3O4, а оказывается, что при разных величинах кислородного давления могут возникать наночастицы Fe4O14. Это частицы, которых, исходя из традиционных представлений химии, ожидать не приходится. Они возникают вопреки традиционным химическим моделям. Мы привыкли к тому, что такие неожиданные химические составы возникают при высоких давлениях. Но в случае наночастиц вы просто меняете содержание кислорода в атмосфере, и начинают доминировать новые неожиданные составы».

К примеру, наночастицы, в которых мало кислорода, будут очень сильными восстановителями. А те, где кислорода в избытке, например Fe4O14, будут очень сильными окислителями. Так что, просто меняя среду, в которой были образованы наночастицы, можно от резко восстановительных свойств перейти к резко окислительным и даже биотоксичным. А если добавить к этому, что не только химический состав наночастиц будет меняться, но даже для фиксированного химического состава будут меняться свойства при разных размерах частиц, то появляется несколько измерений, по которым можно менять свойства наночастиц.

«Одним из сюрпризов для нас было обнаружение у наночастиц таких же “хребтов”, “островов стабильности” и “морей нестабильности”, какие давно известны для атомных ядер. И атомное ядро, и наши наночастицы можно описать как кластеры, состоящие из двух типов частиц (в нашем случае, например, железа и кислорода, а в случае атомных ядер — протонов и нейтронов). И если вы построите карту, осями которой будут числа атомов каждого сорта в кластере, то увидите, что большинство стабильных кластеров образуют узкие “хребты стабильности”, но будут также и весьма любопытные с химической точки зрения “острова стабильности”. Стабильные наночастицы, возможно, являются элементарными кирпичиками при росте кристаллов, а эта тема меня интересовала с юности. А острова стабильности — это тема великой работы наших академиков Флерова и Оганесяна, с которыми я в детстве мечтал работать», — рассказал Артем Оганов.

Артём Ромаевич Оганов – автор методов компьютерного дизайна новых материалов и предсказания кристаллических структур USPEX. Компьютерный дизайн материалов позволяет предсказать свойства материала в обход многолетних лабораторных исследований.


Tags: нанотехнологии, химия
Subscribe

Posts from This Journal “химия” Tag

promo luckyea77 june 21, 2015 20:04 27
Buy for 10 tokens
В этой записи я буду давать ссылки на посты с лекциями и уроками в этом блоге: Учебные материалы и тесты: Дистанционное образование Правила дорожного движения 11 ресурсов для бесплатного образования Сайты для обучения программированию Игры, в которых нужно писать код: Grid Garden, Elevator…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 1 comment