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 Нейробиологи СПбГУ продемонстрировали, что активация рецептора следовых аминов TAAR1 эффективно подавляет агрессивное поведение, вызванное полным отсутствием серотонина в мозге. В дальнейшем этот результат поможет в разработке лекарственных препаратов, направленных на коррекцию патологических форм агрессии, возникающих при посттравматическом стрессовом расстройстве (ПТСР) и шизофрении.
Крупные травоядные утконосые майазавры известны своим развитым социальным поведением. Они жили семьями и строили гнезда для своих детенышей. Даже название вида переводится с греческого языка как «ящер — хорошая мать». Исследование окаменелых зубов майазавров показало, что они выращивали детенышей совсем не так, как это считалось типичным для животных глубокой древности.
Астрономы впервые использовали гравитационные волны, чтобы косвенно оценить параметры одного из ключевых процессов термоядерного горения в массивных светилах. Именно от него зависит, какие звезды взрываются, какие превращаются в черные дыры и как во Вселенной появляются углерод и кислород — элементы, без которых не было бы ни планет, ни жизни.
Нейробиологи СПбГУ продемонстрировали, что активация рецептора следовых аминов TAAR1 эффективно подавляет агрессивное поведение, вызванное полным отсутствием серотонина в мозге. В дальнейшем этот результат поможет в разработке лекарственных препаратов, направленных на коррекцию патологических форм агрессии, возникающих при посттравматическом стрессовом расстройстве (ПТСР) и шизофрении.
Астрономы впервые использовали гравитационные волны, чтобы косвенно оценить параметры одного из ключевых процессов термоядерного горения в массивных светилах. Именно от него зависит, какие звезды взрываются, какие превращаются в черные дыры и как во Вселенной появляются углерод и кислород — элементы, без которых не было бы ни планет, ни жизни.
Десятого мая 1940 года вермахт пришел в движение. Через 42 суток англо-французские армии были разгромлены, а Франция капитулировала. Как это произошло, ведь союзники имели больше солдат, танков и пушек, чем немцы? В СССР причиной посчитали нежелание французов воевать, немцы же, говорили советские военные, не внесли в стратегию ничего нового. Реальность была строго обратной: разгром Франции был новым словом в войне, и такой же сценарий Гитлер применил против СССР через год. Что именно произошло и отчего советское руководство не смогло осознать случившееся?
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Химические связи в материале, из которого сделана электроника, разрываются не из-за накопительного износа от протекания тока через них, а из-за электронов с конкретной энергией.
Термоядерные электростанции не смогут конкурировать по цене с возобновляемыми источниками энергии из-за медленного удешевления технологии. По расчетам, расходы на каждую новую установку падали максимум на 8% — много раз ниже ранних ожиданий венчурных инвесторов. Это перечеркивает экономический смысл финансовых вливаний, и мир может никогда не увидеть дешевой термоядерной энергии.
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