Всем теперь известна структура графена, за исследование свойств которого в 2010 году Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию. Если часть атомов углерода из графена удалить, можно получить пористые сетки, обладающие, так же как и графен, высокой прочностью и электропроводностью. Но главное — такие сетки могли бы служить самыми мелкими ситами, способными, например, разделять молекулы по размерам.
Структура графена
Сквозь листок графена не может проникнуть ни одна молекула, поскольку просвет между атомами углерода меньше, чем размер любой молекулы. Но если в такой графеновой пленке прорубить наноокна диаметром 0,5 нм, через них смогут проникать молекулы воды, углекислый газ, кислород, азот, водород, любые другие двухатомные газы, но не смогут проникать такие крупные молекулы, как бензол, еще более крупные молекулы белков или биологические объекты (например, вирусы). Очень тонкие и прочные фильтры смогут служить для очистки жидкостей и газов, например воды и воздуха.
Пока такой материал еще не получен, но ближе всего к нему подошло новое направление, связанное с созданием полимерных сеток, или ковалентных органических сетчатых структур (covalent organic framework, COF).
Это направление имеет потенциал к стремительному развитию в ближайшее десятилетие и сулит немало интересных открытий. За последние 20 лет уже открыто около 400 полимерных сеток. Сетки бывают шестиугольные и квадратные, плоские и пространственные, с очень крупными и очень мелкими порами.
Регулируя размер пор сетчатых структур, ученые смогут создавать инновационные фильтры, препятствующие проникновению вредных веществ в наши жилища и в наш организм. Сетчатые структуры незаменимы при создании сенсорных материалов, чувствительных к примесям в воздухе.
Синтез новых молекул
Особенность всех известных ковалентных сетчатых структур состоит в том, что в них углеродные строительные блоки связаны мостиками из атомов кислорода или азота. Эти мостиковые группы — слабое звено всей конструкции. Если графит способен выдерживать нагрев до 3000°С и сравнительно инертен к едким кислотам и щелочам, то кислородные и азотные мостики не выдерживают нагревания даже до 600°С и разрушаются кислотами и щелочами.
Ученые научно-образовательного центра «Нанотехнологии» Южно-Уральского государственного университета (Челябинск) поставили перед собой задачу создать полностью углеродный материал с упорядоченной сетчатой структурой. Руководит группой Дмитрий Жеребцов, старший научный сотрудник кафедры «Материаловедение и физикохимия материалов».
«Как и любой органический синтез, создание новой молекулы всегда представляет определенную сложность. Необходимо подобрать условия для проведения химических реакций — растворители, температуру, катализаторы. Каждая ковалентная органическая сетка является новым органическим соединением, и в большинстве случаев химики для каждой такой новой структуры синтезируют новые строительные блоки. Сам по себе такой блок является новой молекулой. Чтобы ее получить, нужно пройти процесс многостадийного синтеза. Мы пока находимся лишь в начале этого пути, но надеемся, что нам повезет»,— рассказывает Дмитрий Жеребцов.
Начатые работы с органическими сетчатыми структурами проводятся на международном уровне в сотрудничестве с учеными из Германии, Индии и Тайваня.
«Особенность исследований состоит в том, что мы не просто хотим создать два-три новых типа ковалентных органических сетчатых структур, а сделать их полностью углеродными по составу не только строительных блоков, но и мостиков между ними. Это позволит выйти на принципиально новый материал: после создания органической сетчатой структуры с полностью углеродными связями мы планируем путем нагревания до 1000°С без доступа воздуха превратить ее в новую углеродную кристаллическую структуру. Другими словами, открыть новый класс кристаллических форм углерода. Этого еще не было сделано в мире, и, надеюсь, мы будем первыми»,— уверен Дмитрий Жеребцов.