Кислород поможет «залечить» дефекты в структуре двумерных материалов
Ученый выяснил, что двумерные материалы на основе цинка, ванадия и азота при контакте с кислородом восстанавливают свою структуру после образования дефектов. Так, согласно моделированию, поврежденные участки материала — места отсутствующих атомов азота или цинка — быстро «залечиваются» благодаря тому, что молекулы кислорода расщепляются, а их атомы заполняют пустоты, воссоздавая правильную кристаллическую решетку. Эта особенность делает материалы удобными для использования в солнечной энергетике и экологически чистом водородном катализе, где долговечность и стабильность структуры критически важны.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Surfaces and Interfaces.
Двумерные материалы на основе тройных нитридов — соединений азота с двумя металлами — перспективны как основа устройств солнечной энергетики и как катализаторы для фотоэлектрохимического получения водородного топлива. Это связано с тем, что тройные нитриды, в частности, те, в которых один из металлов — цинк, хорошо проводят заряд и способны преобразовывать солнечную энергию в электричество. Однако до сих пор оставалось неясным, как такие соединения ведут себя в реальных условиях эксплуатации, в частности, как на них влияет влага и кислород воздуха, особенно когда в структуре материала появляются дефекты, ухудшающие их электронные характеристики.
Ученый из Уфимского университета науки и технологий (Уфа) с помощью компьютерного моделирования исследовал взаимодействие молекул кислорода и воды с поверхностью трех материалов. Все они имели в своем составе атомы азота и цинка, но отличались третьим элементом, которым был ванадий, ниобий или тантал. При этом исследователь смоделировал материалы как в «идеальном» состоянии, так и с искусственно созданными дефектами, когда в кристаллической решетке вещества отсутствовали отдельные атомы азота или цинка. Автор провел квантово-химические расчеты, которые позволяют определить, как в молекуле распределяется заряд и как ведут себя отдельные атомы вещества при взаимодействии с другими соединениями.
Моделирование показало, что молекулы кислорода активно связываются с дефектами в материалах, особенно там, где не хватает атомов азота. Кислород не просто «прилипает» к поверхности — его молекулы распадаются на отдельные атомы, которые заполняют пустоты в кристаллической решетке. При этом энергия связи атомов кислорода и атомов кристаллической решетки достаточно высокая, что говорит о прочности вновь образующихся связей. Интересно, что этот процесс происходит без какого-либо дополнительного воздействия при комнатной температуре.
Участки связывания молекул кислорода и воды на монослое тройного нитрида цинка с ванадием, в котором дефекты связаны с отсутствием атомов азота (а) или цинка (b) / © А.А. Kistanov / Surfaces and Interfaces, 2025
Согласно расчетам, особенно активно кислород взаимодействует с нитридом цинка с ванадием. В этом соединении атомы ванадия активно «притягивают» кислород, образуя наиболее прочные химические связи. Анализ электронной структуры показал, что после взаимодействия с кислородом материал, имеющий дефекты, практически полностью восстанавливает свои первоначальные свойства.
Также оказалось, что молекулы воды примерно в четыре раза слабее, чем кислород, связываются с поверхностью материалов (как с дефектами, так и без них) и не вызывают изменений в их структуре. Это наблюдение говорит о том, что под действием влажности материалы не разрушаются, однако и дефекты в них не восстанавливаются.
«Моделирование показало, что исследованные материалы могут самостоятельно восстанавливаться при контакте с воздухом, что критически важно для их практического применения. Например, в солнечных элементах это позволит увеличить срок службы без потери эффективности. Кроме того, управляя дефектами, мы можем настраивать свойства материала для конкретных задач, будь то преобразование энергии или катализ.
В дальнейшем мы планируем при помощи приборного моделирования оценить эксплуатационные характеристики тройных нитридов цинка в качестве компонентов микроэлектроники, а также с использованием технологии магнетронного распыления синтезировать исследованные тройные нитриды цинка», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Андрей Кистанов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории «Металлы и сплавы при экстремальных воздействиях» Уфимского университета науки и технологий.
Telegram 
Дзен 
VK Американская компания Firebird официально запустила в городе Раздан крупный центр обработки данных и фабрику искусственного интеллекта. На сегодняшний день это самый масштабный технологический хаб подобного уровня в СНГ, а после завершения всех этапов строительства он войдет в пятерку самых мощных вычислительных кластеров в мире.
Когда заканчиваются догадки, начинается генетика. Ученые Сургутского государственного университета совместно с коллегами из Санкт-Петербурга доказали, что анализ ДНК методом полноэкзомного секвенирования способен найти генетические причины редких заболеваний там, где традиционная медицина остается бессильной. Такой способ помог установить причины заболеваний почти у каждого четвертого пациента с подозрением на наследственную патологию, а в перспективе может изменить подход к диагностике редких болезней не только в Югре, но и по всей России.
Британские экологи выяснили, что большинство людей не догадываются о вреде солнцезащитных кремов для Мирового океана. Обзор научной литературы и локальный уличный опрос наглядно продемонстрировали разрыв между реальными экологическими угрозами и повседневными привычками покупателей.
Американская компания Firebird официально запустила в городе Раздан крупный центр обработки данных и фабрику искусственного интеллекта. На сегодняшний день это самый масштабный технологический хаб подобного уровня в СНГ, а после завершения всех этапов строительства он войдет в пятерку самых мощных вычислительных кластеров в мире.
Британские экологи выяснили, что большинство людей не догадываются о вреде солнцезащитных кремов для Мирового океана. Обзор научной литературы и локальный уличный опрос наглядно продемонстрировали разрыв между реальными экологическими угрозами и повседневными привычками покупателей.
Американское Министерство войны продолжает публиковать документы и видеозаписи о наблюдении неопознанных летающих объектов. Как и ранее, происхождение объектов из наблюдений неясно, но достаточно очевидно, что как минимум часть из них не относятся к известным сегодняшней науке природным феноменам.
Долгое время считалось, что до прихода европейцев тропические леса Амазонии были заселены сравнительно плохо. Однако выяснилось, что плотная растительность скрывает большинство следов древних обществ. С помощью воздушного лазерного сканирования ученые обнаружили сотни неизвестных земляных сооружений и предположили, что около двух тысяч лет назад население юго-западной части Амазонии могло достигать трех миллионов человек.
Американская компания Firebird официально запустила в городе Раздан крупный центр обработки данных и фабрику искусственного интеллекта. На сегодняшний день это самый масштабный технологический хаб подобного уровня в СНГ, а после завершения всех этапов строительства он войдет в пятерку самых мощных вычислительных кластеров в мире.
Очереди на заправках стали привычным явлением в России, а на фоне информационного вакуума от властей о конкретных показателях производства бензина в июне население вынуждено ориентироваться на слухи. Все это выглядит довольно странно, но есть нюанс: скорее всего, кризис уже начинает выдыхаться. Как именно мы это выяснили?
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно