«Собрать в пучок» с помощью молекул-координаторов: ученые придумали, как заставить нанотрубки аккумулировать больше метана
Ученые из подведомственного Минобрнауки России Институт физической химии и электрохимииим А.Н.Фрумкина (ИФХЭ) РАН придумали, как при помощи молекул-координаторов толуола упорядочить хаотически расположенные нанотрубки. Исследователи выяснили, что собранные в «пучок» нанотрубки аккумулируют большее количество газа метана, чем неупорядоченные. По словам специалистов, в будущем предложенный подход может найти применение в космической отрасли для доставки грузов.
С тех пор, как в 1990-е годы были открыты нанотрубки и установлены основные закономерности их свойств и структуры, многие научные группы работают над тем, чтобы использовать этот уникальный материал в различных технологических процессах. Использование отдельных нанотрубок в качестве аккумуляторов газа малоэффективно, потому что внутренний объем их микропор очень мал. Однако при упорядочивании нанотрубок в массивы-пучки, в которых те находятся друг от друга на определенном расстоянии, адсорбция большей частью происходит не внутри нанотрубок, а внутри пучков в пустотах между трубками.
Обычно для того, чтобы создать массив из нанотрубок, их выращивают на токопроводящей подложке. В ИФХЭ РАН с помощью молекул толуола удалось скоординировать изначально хаотично расположенные нанотрубки так, чтобы адсорбционная способность материала увеличилась. Молекулярное моделирование показало, что при добавлении молекул толуола в систему, содержащую одностенные нехиральные углеродные нанотрубки, эти молекулы адсорбируются на поверхности нанотрубок. При этом сами трубки «пересобираются» и формируют пучки, преимущественно в триангулярной упаковке.
«При упорядочивании массива нанотрубок создается дополнительная пористость, потому что адсорбируемая молекула может занимать место не только внутри нанотрубки, но и в пространстве между ними», - объяснила Виктория Гайдамавичюте, соавтор работы, инженер-исследователь ИФХЭ РАН. При анализе адсорбции метана на полученной супрамолекулярной структуре выяснилось, что молекула толуола служит дополнительным центром адсорбции и повышает адсорбцию метана. Удаление из системы части молекул толуола, т.е. моделирование процесса десорбции, показало, что структура сохраняется даже при небольшом содержании координирующих молекул.
«Наши результаты по упорядочиванию хаотически расположенных нанотрубок с помощью молекул-координаторов – это первый шаг к созданию универсального адсорбента, микропористую структуру которого можно изменять непосредственно в адсорбере», – прокомментировал исследование Андрей Школин, заместитель заведующего лабораторией сорбционных процессов ИФХЭ РАН, кандидат химических наук. - В настоящий момент мы показали, что самоорганизация нанотрубок, кратно увеличивающая адсорбцию метана, возможна. Мы определили условия, необходимые как для самоорганизации нанотрубок в массив, так и для разрушения упорядоченной структуры – то есть для ее возврата в первоначальное состояние, из которого она может быть скоординирована в массив с другими параметрами пористой структуры для решения другой промышленной задачи».
По словам специалистов, в будущем предложенный подход может найти применение, например, в космической отрасли, где адсорбционные комплексы невелики по размеру. Возможность циклической перенастройки пористой структуры адсорбента позволит решать разные задачи с одним и тем же исходным материалом, не поднимая на орбиту ничего лишнего. Учитывая высокую стоимость доставки груза в космос, получится значительный экономический эффект даже при работе с таким дорогим сырьем, как углеродные нанотрубки.
Результаты исследования, поддержанного Минобрнауки России, опубликованы в одном из ведущих международных журналов.
Моделирование десорбции (последовательного удаления) молекул толуола из системы из трех углеродных нанотрубок
