Графену с момента открытия многие предрекали стать материалом века, способным заменить собой целый ряд традиционных материалов. Несмотря на действительно уникальные свойства этой формы углерода, графеновые технологии ещё только начинают развиваться, сталкиваясь с новыми проблемами и открывая новые возможности.
Тонкая структура толщиной всего в один атом углерода позволяет графену чрезвычайно эффективно проводить электрический ток и тепло. Но на пути триумфального шествия нового материала к широкому промышленному применению возникают трудности. Одна из них — сложность получения структуры без дефектов.
Что такое дефект в структуре графена? 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. Бывают и другие искажения, например вместо шестиугольника возникает пяти- или семиугольник. Графеновые дефекты могут иметь самые различные размеры и форму. К тому же они не статичны и способны изменяться со временем. Нобелевский лауреат Константин Новосёлов в одной из своих работ показал, что искусственно созданные отверстия в структуре при определённых условиях могут самопроизвольно затягиваться. Всё это делает задачу поиска дефектов в графене непростым и трудоёмким занятием. А для многих практических приложений наиболее интересен графен с поверхностью, максимально приближенной к идеальной.
Так как же отобрать образцы «хорошего» графена? Решение предложили специалисты из Института органической химии им. Н. Д. Зелинского Российской академии наук. Научная группа под руководством док-тора химических наук Валентина Ананикова нашла оригинальный способ выявления графеновых 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 как раз благодаря дефектам 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 из группы профессора Ананикова: 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. Их можно 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 даёт ещё и возможность изучить реакционную способность графеновых слоёв. Исследователи установили, что на одном квадратном микрометре поверхности, а это примерно в тысячу раз меньше площади сечения человеческого волоса, может находиться более двух тысяч 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 журнале «Chemical Science», издаваемом в Великобритании Королевским химическим обществом (DOI: 10.1039/c5sc00802f).
