О самой энергоёмкой молекуле в мире и не только

20
октября
2022

Мы начинаем публиковать работы и статьи сотрудников ИНТЭЛ. Сегодня хотели бы поделиться краткими заметками о статьях Константина Катина, д.ф.-м.н., доцента ИНТЭЛ. Это работы за 3 месяца.

=======================================================================================

22 сентября, статья в Materials - как сделать молекулу CL-20 ещё мощнее

Новое исследование, посвящено самой энергоёмкой молекуле в мире, известной под именем CL-20 (название происходит от местности, где она впервые была синтезирована в конце XX века - China Lake в США). В напряженном каркасе молекулы (см. рисунок) много азота, а шесть присоединенных к нему NO2 групп обеспечивают быстрое окисление продуктов распада. Углерод выполняет роль буфера, делая скелет молекулы относительно устойчивым.

О том, как сделать CL-20 ещё мощнее, мы думаем с 2017 года. В наших ранних работах пробовались разные варианты - использовать фтор вместо кислорода (он является еще лучшим окислителем) или компоновать из молекул димеры посредством "молекулярных мостиков". Новая работа выполнена в рамках блестящего диссертационного исследования Маргариты Гимальдиновой. Она рассчитала энергоёмкость и реакционную способность целого семейства молекул на основе CL-20, содержащих кремний и германий вместо углерода. Кроме того, были рассмотрены олигомеры - длинные цепочки из аналогов CL-20, соединенных метиленовыми "мостиками". На рисунке изображены исходная молекула CL-20 (a) и ее производные, содержащий кремний (b) и германий (c).

Текст выложен в режиме свободного доступа на сайте журнала Materials (IF=3.748):

======================================================================================

16 сентября Борнитраны - новые материалы для оптоэлектроники

Статья с предсказанием свойств новых 2D материалов, которые мы назвали борнитранами (по аналогии с диаманами). Напомню, что диаманы были предсказаны Л.А. Чернозатонским в 2009 году, впервые синтезированы в 2019 году и массово экспериментально исследуются с 2021 года.

Мы предполагаем, что борнитраны можно получить под давлением из двухслойного гексагонального 2D нитрида бора, являющегося структурным аналогом графена. Особенно интересны муаровые борнитраны, в которых слои повернуты друг относительно друга на угол, близкий к 30 градусам. В таких системах возникает множество неэквивалентных напряженных межслоевых связей. Это приводит к резким пикам на плотности электронных состояний, что делает материал полезным для оптоэлектронных устройств, основанных на нелинейных резонансных эффектах. Другие особенности муаровых борнитранов - возможность наблюдения динамики локализованных экситонов и уплощение электронных зон (сверхтяжёлые носители). Мы ищем экспериментаторов, готовых синтезировать и исследовать борнитраны. Интересно, что гексагональный 2D нитрид бора впервые был получен на большой площади с участием российских учёных, учеников Л.А. Чернозатонского.

Работа опубликована в Applied Surface Science (IF=7.4): 

========================================================================================

3 сентября - Армирование акриловой смолы для зубных пломб

Статья о конопляных волокнах, способных армировать акриловую смолу и делать её достаточно прочной для использования в стоматологии. Применение природных, а не синтетических волокон позволяет получить безопасный биосовместимый материал. Волокна "вплетаются" в смолу благодаря формированию водородных связей H..O-H и увеличивают её прочность при изгибе до 100 МПа. Коллеги-стоматологи сдавливали и изгибали синтезированные композиты, отличающиеся концентрацией и длиной волокон, чтобы определить их оптимальный состав. Выяснилось, что добавление всего 1% волокон (по массе) уже достаточно для существенного упрочнения системы.

Теоретически предсказанный механизм связывания подтвердился изображением с электронного микроскопа, а рассчитанные инфракрасные спектры композитов совпали с измеренными. Интересно также, что, несмотря на отсутствие ковалентного химического связывания, индекс электрофильности композитов оказался выше, чем у обоих составляющих их компонентов.

А вообще полимеры так часто армируют различными волокнами, что существует даже специализированный журнал "Fibers and Polymers" (IF=2.3), в котором и была опубликована наша работа.

==========================================================================================

28 августа статья о сольватохромных красителях

Рад представить нашу новую статью, в которой описывается синтез и свойства сольватохромных красителей. Как известно, способность молекулы поглощать и испускать свет определяется её электронными возбуждениями. В самой простой системе, атоме водорода, единственный электрон может переходить между энергетическими уровнями, образуя хорошо известные спектральные серии Лаймана, Бальмера, Пашена и др. В многоэлектронных молекулах всё сложнее - из-за межэлектронного взаимодействия переход электрона меняет саму структуру энергетических уровней. Поэтому спектр возбуждений приходится искать в рамках самосогласованной теории, которая иногда очень плохо сходится, - временной теории функционала плотности. А если молекула растворена в растворителе, он тоже влияет на спектр её возбуждений, и расчёт требует еще одного уровня самосогласования - на этот раз между молекулой и растворителем. Такая "дважды самосогласованная" теория позволяет предсказывать свойства сольватохромов - молекул, меняющих цвет раствора в зависимости от полярности растворителя.

В нашей работе мы синтезировали 8 сольватохромных красителей со сходной структурой (один из них изображен на рисунке) и определили их видимые и УФ спектры в разных растворителях. Экспериментальную часть работы  выполнили коллеги из Саудовской Аравии. Совпадение измеренных и рассчитанных спектров позволяет им закончить сложные эксперименты и в будущем "конструировать" новые красители исключительно на компьютере. Полный текст доступен на сайте Журнала молекулярных структур (IF=3.8)

=====================================================================================

14 августа Работа о перфорированном графено-борофеновом листе опубликована в топовом журнале

Опубликовано исследование, посвященное квантово-химическому моделированию электронных, механических, пьезоэлектрических и оптических свойств перфорированной графено-борофеновой структуры, выполненное под руководством А.И. Кочаева, известного специалиста в области упругости наноматериалов. После успешного синтеза и широкого использования множества монослойных 2D материалов (графена, борофена, силицена, MoS2 и др.) наметилось два направления дальнейшего развития этой области нанонауки. Первая - это ковалентно связанные гетероструктуры, в которых монослои связываются ковалентными связями, что часто приводит к качественно новым свойствам. Второе - это перфорирование (проделывание периодически расположенных наноотверстий) 2D материалов, что за счет квантовых эффектов может полностью поменять электронную структуру системы (например, переключить тип проводимости с металлического на полупроводниковый), а также приводить к неожиданным оптическим эффектам (в простейшем случае - работать как наноаналог дифракционной решётки).

В данной работе мы совместили оба направления, рассмотрев перфорированную графено-борофеновую мембрану. Выяснилось, что она остается устойчивой только при условии гидрогенизации (наводораживания) графена. Интересная особенность сконструированной структуры - способность поглощать свет определенной поляризации только в узком диапазоне энергий, соответствующем видимой части спектра. А ее способность селективно пропускать через себя молекулы еще предстоит тщательно изучить - считается, что подобные структуры могут решить проблему опреснения морской воды и очистки жидких отходов. Поэтому мы рады студентам, аспирантам и молодым ученым с интересами в области программирования/математики/нанотехнологий, готовых взяться за эту задачу.

Полный текст работы опубликован в журнале MTN с очень высоким (особенно для чисто теоретической работы) импакт-фактором IF = 13.4

=========================================================================================

10 августа Новая работа об очистке жидких радиоактивных отходов

Вышла работа, посвященная очистке жидких радиоактивных отходов при помощи метало-органического каркаса на основе дубильной кислоты. Дубильная кислота - известный природный адсорбент, она содержится во многих растениях и используется в медицине. Множество гидроксильных групп (-ОН) делают ее "липкой" - способной адсорбировать многие молекулы за счет водородных связей. По той же причине она отлично растворяется в воде, поэтому ее нельзя было использовать для очистки жидких отходов. Нам удалось синтезировать метало-органический каркас на основе дубильной кислоты и железа - он нерастворим, но при этом сохраняет отличные адсорбционные свойства. Серия проведенных в Турции экспериментов (ИК-спектроскопия, сканирующая электронная микроскопия, рентгеновский анализ, адсорбционные исследования) подтвердила его способность эффективно улавливать уранил - наиболее опасный компонент жидких  радиоактивных отходов. Полная версия статьи доступна на сайте журнала Langmuir (IF = 4.33)