Группа ученых МГУ, авторов проекта РФФИ "Слоистые структуры на основе оксида графена и 2D-карбидов титана: экспериментальное исследование, моделирование и синтез гибридных органо-неорганических структур для оптоэлектроники и сенсорики" провела фундаментальные исследования структуры и свойств мембран на основе слоистых материалов для широкого круга практических применений.
В химической термодинамике есть забавное существо - демон Максвелла, который не существует на самом деле, но в воображении ученых имеет неподражаемый талант по одной сортировать молекулы с разным размером или свойствами. И делает это настолько эффективно, что может очень быстро разделять самые разные, даже газообразные, молекулярные смеси. Если бы он и правда мог бы это делать самопроизвольно и без затрат ресурсов извне (а как раз это и невозможно, как говорят привередливые теоретики), то армия таких микроскопических ("наноскопических") воображаемых "демонов" могла бы решить оргомный пласт жизненно важных проблем всего огромного Человечества - и сделать воду кристально чистой, и плазму крови освободить от вирусов и бактерий, и добыть из газа "легкую нефть", и убрать токсичные газы из жилых помещений, да мало ли чего! Увы, таких толп помощников в реальности нам не найти, но вместо них просто взяли и придумали мембраны. И вот они, мембраны - умные материалы, которые делают нашу жизнь лучше и проще, более того, они просто делают нас живыми, если принять в расчет клеточные мембраны. И это целая область научных знаний, которая бурно и эффективно развивается.
Коллектив ученых химического факультета и факультета наук о материалах МГУ проводят комплексное экспериментальное исследование макроскопических свойств (сорбция, набухание, фазовые переходы) для перспективного класса наноструктурированных материалов – слоистых структур на основе различных типов оксида графена (ОГ), органических молекул – интеркалатов и слоистых карбидов титана (М-ксенов). В качестве основного направления научных изыскания выбран анализ физико-химических параметров синтезируемых гибридных систем в зависимости от слойности, степени упорядоченности слоевой структуры, типа и характера поверхностных функциональных групп, температуры, природы сорбируемой полярной жидкости или электролита. Для оценки упорядоченности слоев ОГ в мембранах и стандартизации качества подобных мембраных материалов используются известные методики ЯМР (ядерного магнитного резонанса) и ЭПР (электронного парамагнитного резонанса) с парамагнитными зондами, включая стабильные радикалы, но в новой ипостасии - для анализа структурных особенностей жидких фаз, распределенных в наноскопических полостях мембраны. По мнению ученых, этот подход позволяет построить реалистичные модели таких структур, которые будут использована для объяснения наблюдаемых сорбционных и транспортных свойств мембран.
В ходе разработки новых приемов получения прекурсоров для самосборки гибридных слоистых структур - стабильных монослоевых дисперсий оксида графена с заданным составом функциональных поверхностных групп - использовали широко применяемые модифицированные методы Хаммерса и Броди, основанные на окислении и химическом расслаивании высококачественного графита в среде сильных неорганических кислот, концентрированных серной и ортофосфорной кислот с KMnO4 в случае метода Хаммерса и дымящей азотной кислоты с KClO3 в случае методики Броди, с последующей многостадийной очисткой от остатков реагентов и продуктов реакции. В то же время, была также предложена альтернативная и высоко эффективная методика электрохимического синтеза ОГ.
Методы анализа структуры мембранных материалов, в качестве которых была использована комбинация ЯМР И ЭПР, подтверждают наличие в образцах подвижного растворителя, при этом форма линий в спектрах интеркалированной жидкости шире, поскольку включает два компонента, различающихся химическим сдвигом. Наблюдаемая разница химических сдвигов объясняется различным упорядочением молекул растворителя, локализованных в областях оксида графита с различной поверхностной концентрацией кислородсодержащих групп. Ориентационная упорядоченность слоев в мембранах из оксида графита подтверждена с использованием стабильного нитроксильного радикала. Таким образом, растворитель в межплоскостном пространстве оксида графита представляет собой подвижную среду, свойства которой совсем не идентичны свойствам свободного растворителя.
... Возможно, демон Максвелла мог бы пролезть между слоями и сказать больше, но все секреты этих весьма непростых материалов, начало которым положил в свое время простой грифель карандаша, рано или поздно будут взяты на карандаш и окончательно покорятся человеческому уму, после чего инженерные таланты воплотят удивительные свойства мембранных материалов на благо экологии, медицины и других важнейших областей человеческой деятельности.
