Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
В МФТИ открыли секрет высокой водопроницаемости оксида графена
Оксид графена — перспективный мембранный материал из-за его высокой водопроницаемости. Однако точные физические механизмы, управляющие этим процессом на молекулярном уровне, остаются плохо изученными, несмотря на более чем десятилетие практического применения. Ученые из МФТИ и ИТМО, с коллегами из Сингапура, проанализировали влияние структуры оксида графена на диффузию воды.
Работа опубликована в журнале Computational materials science. Мы расспросили об этом исследовании первого автора статьи — Анастасию Зеленину, аспирантку МФТИ и руководителя проекта, заместителя заведующего лабораторией компьютерного дизайна материалов МФТИ, Никиту Орехова.
«В октябре мы отмечали юбилей графена — главного героя двумерной революции в мире материалов — рассказывает Анастасия Зеленина. — Двадцать лет назад 22 октября 2004 в журнале Science вышла статья Electric field effect in atomically thin carbon films, собравшая за эти годы более семидесяти тысяч цитирований. И хотя сам графен, вопреки ранним прогнозам, пока еще не может похвастаться большим числом прикладных применений, он существенно расширил представления ученых о материалах и открыл дорогу целым семействам 2D структур. Среди них можно выделить максины (MXenes), дихалькогениды, графины, диаманы, а также производные самого графена, к числу которых относится и оксид графена (ОГ)».
Долгое время оксид графена находился в тени своих более именитых двумерных собратьев: его воспринимали просто как промежуточный продукт, возникающий в процессе синтеза самого графена. Дело в том, что для получения графена химическим путем сначала надо взять пиролитический графит и поместить его в кислоту. В ходе окисления он начнет распадаться на отдельные монослои – тот самый оксид графена. А потом эти монослои надо будет избавить от кислородных групп, т.е. восстановить – и получится графен.
Однако, со временем ученые начали присматриваться и к свойствам самого оксида графена, особенно к его необычно высокой водопроницаемости. Если чистый графен является крайне гидрофобным, то оксид графена, напротив, способен образовывать водородные связи с молекулами воды за счет наличия на его поверхности кислородных групп. Это свойство делает его перспективным материалом для селективных мембран, очищающих воду от ионов, макромолекул и даже бактерий. Но хотя про высокую проницаемость оксида графена уже давно известно из экспериментов, о точных механизмах диффузии молекул воды сквозь этот материал до сих пор ведутся споры.
Когда молекулы воды оказываются зажаты в узком зазоре между плоскостями оксида графена, их динамические свойства заметно меняются. На жаргоне такая ситуация называется “конфайнментом”. В нашей работе с помощью методов суперкомпьютерного атомистического моделирования мы проанализировали, влияет ли наноструктура оксида графена на характер диффузии воды.
Атомистическое моделирование позволяет численно описывать и предсказывать поведение каждого отдельного атома в некотором, как правило, очень небольшом объеме вещества. С вычислительной точки зрения такие методы являются крайне ресурсоемкими и требуют использования высокопроизводительных машин, способных для решения одной задачи задействовать одновременно сотни, а порой и тысячи отдельных процессоров, — так называемых суперкомпьютеров.
Кислородные группы в составе оксида графена не обязаны быть равномерно распределены по всей его поверхности: напротив, согласно нашим недавним результатам, опубликованным в журнале Surfaces and Interfaces, они стремятся собраться в кластеры. В итоге поверхность материала может представлять собой сложную мозаику из чередующихся окисленных и восстановленных наноразмерных областей. Диффузия воды вдоль границ между этими областями оказывается удивительно высокой, гораздо выше, чем в каждой из них по отдельности, а молекулы воды практически не испытывают сопротивления и скользят как конькобежец на льду.
В то время как предыдущие вычислительные исследования в основном были сосредоточены на диффузии внутри графеновых или окисленных областей, наши результаты подчеркивают критическую роль границы между этими областями. Диффузия вдоль таких границ представляет собой ранее не описанный механизм, который может дать правдоподобное объяснение высокой подвижности воды, наблюдаемой в оксиде графена.
«Потенциальная роль оксида графена не ограничена только мембранными функциями, — объясняет Никита Орехов. — Наши соавторы из Сингапура нашли для него еще одну прикладную нишу – они изготавливают на его основе гибкие актуаторы, реагирующие на лазерный нагрев. Это полоски материала, способные что-нибудь “схватить” или наоборот “отпустить” при воздействии внешнего импульса. Скорость реакции таких актуаторов зависит от того, как быстро они могут впитывать воду из атмосферы при охлаждении или, наоборот, испускать ее обратно при нагреве. То есть в основе эффекта опять же лежат механизмы диффузии воды в межслоевом пространстве».
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.
Опубликовано при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий» № 075-15-2024-571.
Telegram 
Дзен 
VK Биологи получили прямые доказательства поедания косатками представителей собственного вида. Оторванные спинные плавники со следами больших зубов указали на охоту плотоядных китообразных на слабую соседнюю популяцию. Угроза смертельных нападений заставила рыбоядные группы косаток создавать неразлучные семейные кланы.
За право называть себя родиной легендарных скрипок Страдивари долгие годы спорили несколько европейских стран. Исследователи из Швейцарии, Франции, Словении заявляли, что именно их леса послужили материалом для инструментов с неповторимым звучанием. Теперь история получила новый поворот. Международная команда изучила годичные кольца почти на 300 скрипках итальянского мастера и выяснила, в каком конкретно места Страдивари брал материал для своих лучших творений.
Исследователи смоделировали последствия распыления в марсианской атмосфере аэрозолей для создания искусственного парникового эффекта. Выяснилось, что это может привести к парадоксальному результату: вместо ожидаемого более комфортного климата будущая колония на «нагретой» Красной планете окажется посреди такого же лютого холода и притом окружена обезвоженным грунтом.
В ноябре 2025 года при взлете российской ракеты с Байконура к МКС с существенной высоты упала кабина обслуживания 8У216. Поскольку в 2010-х годах из экономии средств у нас отказались от дублирования стартовых площадок, это создало ситуацию временной невозможности пилотируемых полетов. Теперь, всего через три месяца после происшествия, «Роскосмос» смог решить проблему, поставив запасную кабину обслуживания, найденную на складах Минобороны. Весенние пуски к МКС, запланированные ранее, теперь имеют шансы пройти в срок.
В той части Пиренеев, которые находятся на территории Испании, исследователи обнаружили первые доказательства добычи золота в эпоху Римской империи. На месте древних рудников нашли сложные гидравлические сооружения и остатки водохранилища, возраст которых определили с помощью метода оптического датирования. Открытие прольет свет на инженерные приемы римлян и поставит точку в многолетнем споре: действительно ли римляне добывали золото в этом регионе.
Разное отношение домашних животных к хозяевам давно стало предметом споров, обсуждений и шуток. Ученые из Венгрии показали, что собаки демонстрируют по отношению к человеку уровень альтруизма, сходный с детским, тогда как кошки ищут в партнерстве с человеком прежде всего свою выгоду.
Астрономы недавно проанализировали базу данных о падающих на Землю объектах и пришли к выводу, что два из них прибыли из межзвездного пространства. Известна не только дата, но и место падения каждого из них.
«Любить лишь можно только раз», — писал поэт Сергей Есенин, а герои культовых сериалов приходили к выводу, что «настоящая» влюбленность случается в жизни максимум дважды. Однако ни один из этих тезисов не подкреплен научными данными. Американские исследователи подошли к вопросу иначе: опросили более 10 тысяч человек и вывели среднее число сильных влюбленностей, возможных в течение жизни.
В ноябре 2025 года при взлете российской ракеты с Байконура к МКС с существенной высоты упала кабина обслуживания 8У216. Поскольку в 2010-х годах из экономии средств у нас отказались от дублирования стартовых площадок, это создало ситуацию временной невозможности пилотируемых полетов. Теперь, всего через три месяца после происшествия, «Роскосмос» смог решить проблему, поставив запасную кабину обслуживания, найденную на складах Минобороны. Весенние пуски к МКС, запланированные ранее, теперь имеют шансы пройти в срок.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
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