По словам ученых, классическая теория кристаллизации, долгое время являвшаяся догмой, утверждает, что все вещества стремятся перейти в стабильную кристаллическую форму. Однако с появлением углеродных нанотрубок в конце XX века эта теория дала трещину. Сначала их считали случайностью и исключением, характерным только для углерода, но за последние десятилетия ученые научились создавать целый класс «запрещенных» классикой структур – нанолисты, нанопровода, наноточки и другие формы с уникальными свойствами, не только на основе углерода, но и на основе оксидов и даже солей переходных металлов.
«Ситуацию можно сравнить с появлением геометрии Лобачевского или теории относительности, – рассказывает директор НОЦ «Нанотехнологии» ЮУрГУ Вячеслав Авдин. – Они не отменили Евклида и Ньютона, но радикально расширили наши горизонты. То же происходит сейчас в материаловедении. По старым правилам, наноматериалов быть не должно, но они есть».
Новый материал, полученный в ЮУрГУ, – яркий пример такого «невозможного» структурирования. Его архитектура отличается от той, что формируется при обычной кристаллизации, что и придает ему повышенную термостойкость и электрохимическую чувствительность. Ученые подчеркивают, что если бы процесс шел по классическому сценарию, в итоге получился бы стабильный, но бесполезный с функциональной точки зрения кристалл.
«Что такое углеродная нанотрубка? Представьте себе обычный графит. Это такие слои из шестиугольников, построенных из углерода. Один слой, второй и так далее. Каждый слой, если его отделить, называется графен. Это чрезвычайно тонкий материал, толщиной всего в одну молекулу. При этом площадь одного листа может достигать значительных величин – десятки квадратных нанометров и даже больше, – объясняет Вячеслав Авдин. – Теперь вообразите, что этот самый лист графена свернут в цилиндрическую форму, замыкается в круглую трубку – получается углеродная нанотрубка. Впервые подобные структуры были обнаружены сравнительно недавно: сначала исследователи получали многослойные трубки, вложенные друг в друга как матрешка. Под электронным микроскопом отчетливо видна идеальная форма этих цилиндров, четко отличающая их от волокон и прочих вытянутых форм.
Интересно, что образование таких трубок происходило естественным образом: при воздействии на вещество различными способами, при определенной комбинации условий начинали спонтанно расти длинные тонкие цилиндры из углерода. Впоследствии аналогичные методы позволили синтезировать подобные наноструктуры и из других элементов. Химики ЮУрГУ получили нанотрубки, нанолисты, наноточки разной формы, разной устойчивости и прочности из огромного количества материалов: оксидов, малорастворимых солей, фосфатов и т.д.
При размерах менее сотни нанометров поведение частиц существенно отличается от поведения отдельных молекул или атомов: они теряют способность свободно существовать самостоятельно. Они вынуждены взаимодействовать, образуя кластеры или адсорбируясь на поверхности более крупных объектов. Именно такая высокая активность поверхностных слоев придает материалам совершенно уникальные характеристики.
Сегодня множество наноматериалов, созданных в ЮУрГУ, уже используются в самых передовых областях: в качестве высокоэффективных катализаторов, сорбентов и электрохимических датчиков. Однако часто их получают почти случайно, методом проб и ошибок, без глубокого понимания фундаментальных принципов.
«Мы находимся на пороге создания новой теории формирования материалов, которая совершит переворот в технологиях, – уверен Вячеслав Авдин. – Сейчас наша ситуация напоминает эпоху алхимиков, которые много чего получали, не зная химических законов. Как только мы поймем новые правила структурирования на наноуровне, это откроет дорогу к целенаправленному созданию материалов с заранее заданными, неожиданными свойствами».
Результаты опубликованы в журнале «Polymers», входящем в Q1 по Web of Science и Scopus.
Одна из последних разработок, сделанных на кафедре экологии и химической технологии и в НОЦ «Нанотехнологии» (на фото) – фосфат титана, имеющий иерархическую структуру, начинающуюся от наночастиц и заканчивающуюся сферами микрометровых размеров (автор – аспирант Абрамян А.Д., научный руководитель – д.х.н. Большаков О.И.).
Конкретно этот материал может быть использован для модификации поливинилхлорида (ПВХ) – одной из самых распространенных пластмасс в мире. Его применение позволит создавать более термостойкую и надежную электрическую изоляцию для проводов, а также улучшить свойства множества других устройств, используемых в быту и технике.
