Метод визуализации дефектов на поверхности графеновых слоев путем томографического исследования с использованием контрастного вещества был разработан учеными из Института органической химии им. Зелинского РАН (Москва) в рамках международного проекта. Разработанный диагностический метод всего за несколько минут позволяет найти тысячи дефектов на поверхности углеродного материала с помощью стандартного микроскопического оборудования. Томографическая диагностика графеновых слоев выявила организованные структуры дефектов на больших площадях углеродных поверхностей. Результаты исследования опубликованы в журнале Chemical Science, издаваемом Royal Society of Chemistry (DOI: 10.1039/c5sc00802f).

Характеризация дефектов необходима для оценки к...

Характеризация дефектов необходима для оценки качества углеродных материалов и предсказания их физических и химических свойств.

Предполагается, что графен и родственные 2D материалы станут соединениями века, и это совсем не удивительно — графен очень тонкий и прочный материал, также обладающий выдающимися электро- и тепло-проводящими характеристиками. Широта применения материалов с такими уникальными свойствами, действительно впечатляет. На основе графеновых систем идет активная разработка новых биомедицинских приложений, сверхпрочных материалов, высокоэффективных устройств преобразования света, нового поколения электронных компонентов, а также высокоэффективных катализаторов для химической промышленности. Однако камнем преткновения является тот факт, что многие уникальные свойства проявляются только у идеального без-дефектного графена. Для практических приложений наиболее интересны графеновые материалы с минимальным количеством дефектов или материалы с контролируемым количеством и типом дефектов. Проблема заключается в том, что углеродные дефекты могут иметь различные размеры и формы, а динамическая природа и флуктуации делают их труднообнаружимыми с помощью обычных аналитических методов. Детальное исследование больших пространств графеновых листов для выявления дефектных участков является времязатраной задачей, не говоря уже об отсутствии простых методов визуализации дефектов на поверхности углерода.

Исследовательский проект, проведенный профессором В. Ананиковым и коллегами, предложил контрастное вещество — растворимый комплекс палладия — который избирательно прикрепляется к дефектным областям на поверхности углеродных материалов. Присоединение генерируемых в растворе кластеров палладия к поверхности углеродного материала приводит к образованию наночастиц металла, которые могут быть легко зафиксированы с использованием обычного электронного микроскопа. Чем более активен углеродный центр или дефект, тем прочнее связывание с частицами Pd и тем меньше времени занимает процедура визуализации. Таким образом, дефекты на углеродной поверхности и химически активные центры могут быть нанесены на 3D карту с высоким разрешением и уровнем контраста. Особенно интересен тот факт, что дефект будет охарактеризован не только благодаря разнице в строении или геометрических параметрах, но и по отличиям в химической активности. Таким образом, этот подход помогает визуализировать химическую реакционную способность с пространственным разрешением в нанометровом диапазоне.

Выделение дефектных центров на углеродной поверхности с помощью «Pd маркеров» дает уникальную возможность изучить реакционную способность графеновых слоев. Как показывают полученные результаты, более 2000 реакционно-способных центров могут быть расположены на одном квадратном микрометре поверхности обычного углеродного материала. При этом распределение дефектов не является хаотическим и в ряде случаев наблюдается упорядоченная структурная организация дефектов.

Медицинское применение томографии, включая использование контрастных реагентов для повышения точности и упрощения наблюдений, является хорошо известным и надежным диагностическим инструментом. Данная работа открывает перспективы применения томографии для проведения диагностики на наноразмерном уровне.

Статья «Spatial imaging of carbon reactivity centers in Pd/C catalytic systems» (авторы E. O. Pentsak, A. S. Kashin, M. V. Polynski, K. O. Kvashnina, P. Glatzel and V. P. Ananikov) опубликована в журнале Chemical Science, издаваемом Royal Society of Chemistry.

Ссылка: Chem. Sci. 2015, DOI: 10.1039/c5sc00802f

Онлайн ссылка: http://dx.doi.org/10.1039/c5sc00802f