Российские учёные придумали простой способ обнаружения дефектов в графене
Выдающиеся качества чудо-материала графена во многом зависят от его строения: чем меньше дефектов в решётке материала, тем лучше его свойства. Учёные из Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН в рамках международного проекта разработали метод определения тысяч дефектов в углеродном материале всего за несколько минут с помощью стандартного микроскопического оборудования.
Предполагается, что графен и родственные двумерные материалы станут соединениями века, и это не удивительно: графен очень тонкий и прочный материал, также обладающий выдающимися электрическими и теплопроводящими характеристиками.
Широта применения материалов с такими уникальными свойствами впечатляет. На основе графеновых систем идёт активная разработка новых биомедицинских приложений, сверхпрочных материалов, высокоэффективных устройств преобразования света, нового поколения электронных компонентов, а также катализаторов для химической промышленности.
Однако камнем преткновения является тот факт, что многие уникальные свойства проявляются только у идеального графена, не имеющего дефектов в структуре. Для практических приложений наиболее интересны графеновые материалы с минимальным количеством дефектов или материалы с контролируемым количеством и типом дефектов.
Проблема заключается в том, что углеродные дефекты могут иметь различные размеры и формы, а динамическая природа и флуктуации (дыры быстро "залечиваются") не позволяют оперативно обнаружить их с помощью обычных аналитических методов. Детальное исследование больших пространств графеновых листов для выявления дефектных участков требует серьёзных затрат времени.
Группа профессора Валентина Павловича Ананикова предложила использовать "красящее" вещество — растворимый комплекс палладия — который избирательно прикрепляется к дефектным областям на поверхности углеродных материалов.
Присоединение генерируемых в растворе кластеров палладия к поверхности углеродного материала приводит к образованию наночастиц металла, которые могут быть легко зафиксированы с использованием обычного электронного микроскопа. Чем более активен углеродный центр или дефект, тем прочнее связывание с частицами палладия и тем меньше времени занимает процедура визуализации.
Дефекты на углеродной поверхности и химически активные центры могут быть нанесены на 3D-карту с высоким разрешением и уровнем контраста.
Особенно интересен для учёных тот факт, что при помощи нового метода будет определено не только геометрическое строение найденного дефекта, но и его химические "способности". То есть химическая активность "дырки" в одеяле из углеродных сот будет также отмечена на получаемой карте.
В свою очередь выделение дефектных центров с помощью "палладиевых маркеров" даёт исследователям уникальную возможность изучить реакционную способность графеновых слоёв.
Как показывают полученные результаты, более 2000 реакционно-способных центров могут быть расположены на одном квадратном микрометре поверхности обычного углеродного материала. При этом распределение дефектов не является хаотическим и в ряде случаев материаловеды наблюдают упорядоченную структуру в организации "дыр". Это наблюдение может открыть новые вехи в изучении чудо-материала.
Статья авторов исследования вышла в журнале Chemical Science. Соавторами исследования стали учёные Санкт-Петербургского государственного университета и Европейского синхротрона (ESRF).
