Текст уведомления здесь

Азот сделал нанотрубки отличным катализатором

До сих пор эти перспективные наноструктуры оставались довольно инертными химически, несмотря на огромную удельную поверхность, столь полезную для катализаторов.
Добавить в закладки
Комментарии

В Лаборатории экологического катализа Института катализа Сибирского отделения РАН удалось показать, что углеродные нанотрубки и нановолокна, обогащенные атомами азота превращаются в отличные катализаторы. Ранее высокая химическая инертность наноуглеродных структур не давала использовать их в этом качестве. Кроме того, азотсодержащие углеродные нанотрубки могут пригодиться в создании современных жидкокристаллических экранов. О происходящем пишет «Наука Сибири».

Наноструктуры всегда рассматривались как перспективные катализаторы, ведь за счет малых размеров у них очень велика удельная площадь поверхности (площадь поверхности на единицу массы). Для нанотрубок она в тысячи раз больше, чем для большинства обычных катализаторов, так как, если последние раздробить на мелкие частицы, они начнут слипаться в более крупные комки, а вот нанотрубки не подвержены слипанию, что делает их потенциально более стабильным катализатором. Несмотря на все эти теоретические преимущества, у углеродных нанотрубок есть один, и очень большой недостаток — они слишком стабильны химически. По сути, это просто слой графита толщиной в один атом, свернутый в трубочку. Как и сам графит, углеродные нанотрубки не очень охотно вступают в химические реакции.

Исследователи из Института катализа встроили азот в структуру наноматериалов, рассчитывая изменить и улучшить их свойства. Чтобы их метод был экономически оправданным, они использовали для допирования нанотрубок азотом простые методы, не требующие дорогостоящего и сложного оборудования. При этом за счет изменения параметров каталитического процесса, используемого для внесения атомов азота в нанотрубки, химикам удалось проконтролировать как соотношение азота и углерода в них, так и соотношение атомов азота, находящихся в тех или иных различных электронных состояниях.

Как показало изучение допированных нанотрубок, добавление атомов азота действительно сильно сказывается на их физико-химических свойствах. Например, выросло количество структурных дефектов (что важно для готовности материала вступить в химическую реакцию), изменилась электрическая проводимость и химические свойства поверхности (окислительно-восстановительные и гидрофильно-гидрофобные).

Исследователи отмечают, что нанотрубки с добавлением азота могут быть не просто хорошими катализаторами, но и переносчиками других катализаторов, заметно поднимающими их эффективность. Дело в том, что наличие азотных центров в структуре нанотрубок позволяет регулировать размер нанесенных частиц сторонних катализаторов. Их диаметр будет примерно равен расстоянию между атомами азота. Более того, азотные центры ускоряют процесс обмена электронов в системе, а также служат дополнительными центрами активизации реакций. Все это приводит к повышению активности большинства известных катализаторов, нанесенных на такие нанотрубки, или даже меняет сам маршрут каталитической реакции с таким носителем.

Что важно, нанотрубки с атомами азота, выступая как носитель катализатора, не позволяют его частицам слипаться и даже спекаться при повышенных температурах. За счет этого удельная поверхность нанесенного катализатора не уменьшается при нагреве.

Азотсодержащие углеродные наноматериалы могут быть полезны и для создания новых композитов. Институт катализа совместно с Институтом теоретической и прикладной механики Сибирского отделения РАН используют свои обогащенные азотом нанотрубки как добавку, стремясь получить новые системы на основе жидких кристаллов для гибких оптоэлектронных устройств. Как известно, при приложении определенного электрического напряжения происходит переориентация жидкого кристалла и он начинает пропускать свет. За счет этого эффекта работают, например, жидкокристаллические дисплеи. Если ориентация кристаллов будет меняться быстрее, это позволит получать более качественное изображение. А если снизить порог напряжения, нужного для переориентации жидкого кристалла, заметно уменьшится энергопотребление мониторов. Эксперименты сибирских ученых уже показали, что допированные азотом наноструктуры позволяют существенно улучшить обе характеристики.

Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Российский студент показал дорогу к новым сверхпроводникам

Гидрид актиния должен, по расчетам, быть рекордно высокотемпературным сверхпроводящим материалом.
Добавить в закладки
Комментарии

Группа ученых во главе с Артемом Огановым из Сколтеха и МФТИ с помощью расчетов показала возможность высокотемпературной сверхпроводимости для гидридов актиния (соединений актиния и водорода). Попутно они обнаружили общий принцип, по которому можно вычислить сверхпроводимость для разных гидридов, используя одну только таблицу Менделеева. Соответствующая статья опубликована в The Journal of Physical Chemistry Letters.

Последние десятилетия научные группы по всему миру ищут материалы с высокотемпературной сверхпроводимостью — такие, у которых электрическое сопротивление падает до нуля при температурах выше точки кипения жидкого азота (-196 по Цельсию). К сожалению, физическая природа высокотемпературный сверхпроводимости пока неясна, отчего до сих пор эти поиски идут главным образом непроизводительным методом проб и ошибок. Есть предположения, что для гидридов — соединений водорода и металлов — такая сверхпроводимость будет наступать при особо высоких температурах. Но вариантов этих соединений много, и хорошо бы заранее узнать, какие из них перспективнее всего.

Авторы новой работы попробовали рассчитать точку наступления сверхпроводимости для AcH16. Оказалось, что она должна появляться в диапазоне температур от -69 до -22 по Цельсию при давлении в 1,5 миллиона атмосфер. При этом был найден принцип вычисления сверхпроводимости по периодической системе химических элементов. Артем Оганов отмечает: «Сама идея связи сверхпроводимости с таблицей Менделеева принадлежит студенту моей сколтеховской лаборатории Дмитрию Семенку. Найденный им принцип настолько простой, что удивительно, что никто не заметил его раньше».

В общем виде идея такой связи описывает распределение в таблице Менделеева элементов, способных к образованию сверхпроводящих соединений. Оказалось, что высокотемпературная сверхпроводимость возникает у тех веществ, что содержат атомы металлов, близких к заселению новой электронной подоболочки. Когда несколько электронов имеют одинаковые значения как главного квантового числа (квантовое число n, определяет энергию электрона), так и орбитальных квантовых чисел (l, характеризует форму орбиталей), то говорят, что они относятся к одной электронной подоболочке. В случае, когда атом в кристалле по параметрам своих электронов уже готов занять новую электронную подоболочку, он будет очень чувствителен к малейшим изменениям в окружающей его кристаллической решетке — например, к изменению положения близлежащих атомов. Такая чувствительность означает сильное электрон-фононное (фонон — квазичастица колебательного движения атомов в кристалле) взаимодействие. [ ... ]

Читать полностью

Российская модель предсказала структуру полусотни ценных минералов

До этого во всем мире путем проб и ошибок их удавалось создать всего несколько в год.
Добавить в закладки
Комментарии

Российские ученые построили математическую модель, которая может предсказать, как именно можно получить новые искусственные минералы — цеолиты. Их отличает уникальная способность «прицельно» пропускать только вполне определенные вещества, отсекая все остальные. Поэтому они широко используются в быту и в промышленности в качестве фильтров, а в нефтехимии — и в виде ускорителей реакций. Соответствующая статья опубликована в журнале Chemistry of Materials.

Цеолиты — это минералы, сложенные из тетраэдров с общими формулами SiO2/4 и AlO2/4. Между компонентами такой «тетраэдрической» структуры остается совсем мало свободного пространства — как раз достаточно, чтобы пропускать небольшие молекулы или ионы, но недостаточно, чтобы пропустить что-то большее. Поэтому их еще часто называют «молекулярное сито». Цеолиты способны впитывать и вновь отдавать воду и другие вещества, но при этом они «не берут» целый ряд молекул-загрязнителей. С XVIII века ученые обнаружили около 40 естественных цеолитов и нашли им применение, например в виде бытовых и промышленных фильтров для очистки воды.

Однако каждый цеолит имеет слегка отличающиеся фильтрующие свойства, поэтому исследователи заинтересованы в искусственном создании новых его видов, не встречающихся в природе, — сегодня их существует уже больше 200. При этом материалы и методы для их создания всегда подбирались фактически наугад. Из-за этого даже большими усилиями лабораторий разных стран их удается создать не более 5—7 в год.

Авторы новой работы построили модель, которая прогнозирует состав и строение новых, еще не созданных цеолитов. Ранее исследователи предложили новый математический метод представления структур пористых веществ и разработали компьютерный алгоритм, который может моделировать сборку каркаса цеолита по принципу конструктора LEGO — подставляя те или иные «кубики» (в виде тетраэдров) в пространственную структуру и оценивая, насколько устойчива такая «конструкция». [ ... ]

Читать полностью

Ученый из МГУ создал искусственную кожу хамелеона

Растягивая или сжимая новый материал, можно добиться изменения его цвета по тем же принципам, что используют хамелеоны.
Добавить в закладки
Комментарии

Международная группа ученых при участии Дмитрия Иванова из МГУ им М.В. Ломоносова создала полимер, имеющий те же свойства, что и кожа живых существ. Неожиданным побочным эффектом оказалось то, что такой полимер при растяжении менял свой цвет, как кожа хамелеона. Соответствующая статья опубликована в Science.

Для нормального протезирования целого ряда тканей человека требуются материалы со свойствами, которые до сих пор у искусственных заменителей получить не удавалось. Например, необходимо, чтобы в норме мягкий материал при растягивании становился более прочным и жестким. Именно это свойство позволяет оставаться нашей коже целой при резких движениях. Проблема существующих полимерных «тканей» в том, что если они демонстрирует нужную прочность, то недостаточно растяжимы, а если достаточно растяжимы, то недостаточно прочны или жестки в натянутом состоянии.

Авторы новой работы создали сополимер из полиметилметакрилата (на его основе получают оргстекло) и полидиметилсилоксана (добавка во многие эластомеры, а также пищевая добавка E900). Причем новый материал воспроизводит структуру кожи — полиметилметакрилат распределен в матрице на базе полидиметилсилоксана, играющего роль «мягкого скелета». Пока «искусственная кожа» находится в покое, она мягкая. Но при растяжении расстояние между полиметилметакрилатными и полидиметилсилоксановыми компонентами в сополимере начинает увеличиваться, и за счет этого свойства материала резко меняются — он становится заметно жестче. Кривая нарастания его жесткости у экспериментаторов получилась очень близкой к кривой для свиной кожи.

Неожиданным побочным эффектом растяжения для материала оказалось изменение его цвета, происходящее практически мгновенно. С физической точки зрения оно объясняется тем, что когда расстояние между разными компонентами сополимера меняется, то изменяется и их способность поглощать падающие на них световые волны, поэтому после растяжения наружу отражаются волны другой длины (а соответственно, и цвета), чем в покое. Показатель этот варьируется в широком диапазоне, как в коже хамелеонов. Она также меняет свой цвет в зависимости от степени растяжения, задаваемой сокращением мышц хамелеона (впрочем, это не единственный механизм). [ ... ]

Читать полностью