Химики из Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН придумали способ просто и быстро найти дефекты в атомарной структуре графена.

Различные виды дефектов структуры графена, проявленные с помощью палладиевого маркера. Зелёные и голубые стрелки – точечные дефекты, красные – линейные, оранжевые – приграничные, жёлтые – топологические, красные пунктирные линии отмечают границы между зернами. Источник: Chemical Science (2015), (с) Royal Society of Chemistry

С момента открытия графену многие предрекали стать материалом века, который заменит собой целый ряд традиционных материалов. Несмотря на действительно уникальные свойства этого нового материала, графеновые технологии еще только начинают развиваться, встречая новые проблемы и открывая новые возможности.

Тонкая структура толщиной всего в один атом углерода позволяет ему чрезвычайно эффективно проводить электрический ток и тепло. Но, хотя у графена действительно много выдающихся свойств, существует целый ряд сложностей, которые препятствуют его триумфальному шествию в промышленное производство. Одна из них – это сложность получения структуры без дефектов. Дело в том, что для практических приложений наиболее интересен графен с поверхностью, максимально приближенной к идеальной. И тут исследователи сталкиваются с вопросом, как же отобрать образцы «хорошего» графена для своих экспериментов. Новый способ обнаружения дефектов предложили химики из Института органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН.

Что такое дефект в структуре графена и почему так трудно его обнаружить? Идеальный графен – это плоскость, образованная правильными шестиугольниками из атомов углерода. Если в такой структуре отсутствует один или несколько атомов, то на их месте образуется дырка. Могут быть и другие искажения, например, если вместо шестиугольника окажется пятиугольник или семиугольник. Такие графеновые дефекты могут иметь самые различные размеры и форму. Однако проблема состоит еще и в том, что эти дефекты не статичны и могут изменяться со временем. Нобелевский лауреат Константин Новоселов в одной из своих работ показал, что искусственно созданные отверстия в структуре при определенных условиях могут самопроизвольно затягиваться. Все это делает задачу поиска дефектов в графене непростым и трудоемким занятием. Но любая, даже самая сложная проблема имеет свое решение. Научная группа под руководством профессора Валентина Ананикова нашла оригинальный способ выявления таких дефектов.

Дефект на поверхности меняет не только геометрию поверхности, но и химические свойства материала вокруг этого места. Например, некоторые катализаторы – вещества, ускоряющие химические реакции, работают из-за дефектов своей структуры. Атомы, которые находятся не совсем там, где «надо» с точки зрения идеально структурированного вещества, становятся химически активными, и именно на них начинают протекать реакции. То же применимо и к дефектам графена – химическая активность атомов углерода в этих областях отличается от активности атомов на остальной поверхности. Именно это свойство использовали химики в своем проекте – они разработали специальное вещество, содержащее атомы металла палладия, которое избирательно прикрепляется к дефектным областям на поверхности графена.

Когда такой химический комплекс реагирует с активными центрами на поверхности, то в этих местах образуются наночастицы палладия, которые можно запросто наблюдать с помощью электронного микроскопа. Чем более активен углеродный центр или дефект, тем прочнее связывание с частицами металла. Таким образом, дефекты на углеродной поверхности и активные центры могут быть нанесены на карту с высоким разрешением, которая покажет не только отличия в строении, но и химическую активность разных областей.

Определение дефектных центров на углеродной поверхности с помощью разработанных палладиевых маркеров дает еще и уникальную возможность изучить реакционную способность графеновых слоев. Исследователи установили, что на одном квадратном микрометре поверхности, а это примерно в тысячу раз меньше площади человеческого волоса, могут находиться более 2000 реакционных центров. При этом они расположены не хаотично, а со вполне упорядоченной структурой.

Как отмечает профессор Анаников, разработанный метод сродни широко используемому в медицине диагностическому методу – томографии с использованием контрастных реагентов для повышения точности и упрощения наблюдений.

Результаты исследования опубликованы в статье «Spatial imaging of carbon reactivity centers in Pd/C catalytic systems» (авторы E. O. Pentsak, A. S. Kashin, M. V. Polynski, K. O. Kvashnina, P. Glatzel and V. P. Ananikov) в журнале Chemical Science, издаваемом Royal Society of Chemistry.