Неожиданный результат получен для "одномерных" химических реакций

 


Благодаря своим уникальным свойствам одностенные углеродные нанотрубки (SWNT) считаются многообещающим материалом для электроники, оптики и других областей материаловедения. Когда же учёные из Университета Умео (Швеция) под руководством доцента факультета физики Александра Талызина попытались провести реакцию между инкапсулированным в нанотрубку фуллереном и водородом, произошло нечто совершенно неожиданное.

Общепринятая точка зрения на подобный процесс такова: когда молекулы фуллерена C60 инкапсулированы во внутреннее пространство SWNT, там просто не остаётся места для прохождения молекул водорода, а от внешнего пространства внутренний мир нанотрубки надёжно отделен её стенкой, и никакие взаимодействия с реагентами, находящимися снаружи, невозможны.

Молекулы фуллерена будто горох в стручке, и вдруг снизу постучали: водород... (Иллюстрация Alexandr Talyzin / Umeå University.)
Молекулы фуллерена будто горох в стручке, и вдруг снизу постучали: водород...
(Иллюстрация Alexandr Talyzin / Umeå University.)

Однако эксперименты быстро пришли в противоречие с «общественным мнением». Оказалось, что водород на самом деле проникал извне в углеродную нанотрубку и реагировал с «забитым» в неё фуллереном. (Тут важно ясно представлять себе эксперимент: речь, конечно же, идёт не об одной молекуле фуллерена. SWNT в данном случае выступает в роли «горохового стручка», в который набиты фуллереновые шарики; таким образом, внутренние «горошинки» надежно экранированы со всех сторон и реагировать с водородом, казалось бы, не должны, если поверить в то, что он не проникает сквозь стенку нанотрубки.) Причём доказательством реальности наблюдаемого явления стало то, что при резком повышении температуры и давления водорода происходило полное разрушение фуллереновой структуры с образованием больших молекул углеводородов. Протекание реакции во всех случаях подтверждалось методами рамановской спектроскопии и трансмиссионной электронной микроскопией высокого разрешения.

Таким образом, исследование ещё раз доказывает, что химические реакции в нанореакторах далеко не всегда аналогичны тем, что протекают в «нормальных» (трёхмерных) условиях. В этом примере фуллерен, зажатый внутри нанотрубки, имеет возможность реагировать с водородом только в одном измерении из трёх...

Почему только в одном? Почему не в двух из трёх? Вопрос резонный, но, на наш взгляд, совершенно неинтересный. Потому что гораздо любопытнее и важнее другой вывод, который, судя по аннотации в журнале Angewandte Chemie, делается в статье (и совершенно замылен в пресс-релизе университета).

Авторы доказали, что по крайней мере водород способен проникать внутрь нанотрубок и химически модифицировать находящиеся там интеркаляты. Это открывает по-настоящему новый мир в области функциональных наноматериалов! То, чего раньше никто и делать бы не стал, теперь становится очевидным путём к получению самых причудливых композиционных материалов. Ну, скажем, хочется нам получить SWNT, допированную наночастицами кобальта или меди, или редкоземельного элемента. А как? А вот как. Для каждого d- и f-металла (да и для s- и p-элементов тоже) можно найти целую корзинку летучих комплексов с органическими лигандами, которые после испарения в динамическом вакууме осядут из газовой фазы внутри углеродных нанотрубок. Если бы мы ничего не знали о работе г-на Талызина, то на этом нам пришлось бы прекратить свои эксперименты. Теперь же, воздействуя водородом, можно добиться полного восстановления металла внутри нанотрубок с получением композитного материала, о котором прежде и не мечтали. Вот это действительно Новая Заря композитов на основе углеродных нанотрубок.

Подготовлено по материалам Университета Умео.

Источник: Компьюлента