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 В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
Ученые раскрыли причины удивительной сохранности крупнейшей из пирамид Гизы. Секрет того, что за прошедшие тысячелетия пирамиду не разрушили землетрясения, кроется в особенностях ее конструкции, в том числе в так называемых разгрузочных камерах, расположенных непосредственно над погребальной камерой фараона.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Астрофизики Южного федерального университета предложили объяснение одной из самых интригующих загадок современной физики — годичных колебаний сигнала в детекторе DAMA/LIBRA, который вот уже почти тридцать лет регистрирует странные сигналы в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии, интерпретируемые как взаимодействие частиц темной материи с обычным веществом.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
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