Российские ученые разработали стабильные кристаллы с уникальными вариантами укладки атомов металлов, серы и селена. Полученные данные свидетельствуют о том, что кристаллы могут быть использованы для ускорения искусственного фотосинтеза, который нужен для получения экологически чистого топлива. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of applied Crystallography.
Кристаллы, состоящие из атомов переходных металлов, серы и селена и имеющие общую формулу XMY (где М — металл, а Х и Y — неметаллы), представляют собой структуру из нескольких слоев. При этом сравнительно прочные слои слабо связаны между собой, что позволяет отрывать их друг от друга. Свойства таких атомных монослоев существенно отличаются от свойств исходного кристалла. Так, с их помощью можно ускорять реакцию разложения воды в ходе так называемого искусственного фотосинтеза. Последний предполагает, что под действием света молекула воды расщепляется до кислорода и водорода — экологически чистого альтернативного топлива.
Кристаллические монослои имеют вид «молекулярного сэндвича» из трех рядов атомов. Верхний и нижний состоят из халькогенов, то есть элементов 16 группы таблицы Менделеева, к которым относятся сера и селен. Между ними расположен центральный ряд из металлов, таких как молибден, ванадий или вольфрам. Монослои, в которых верхний и нижний ряды атомов халькогенов состоят из разных элементов, получили название янус-структур. Они сравнительно недавно были получены экспериментально и сейчас активно исследуются теоретически.
Ученые из Института биохимической физики имени Н.М. Эмануэля РАН (Москва) с коллегами из Института геологии и минералогии имени В.С. Соболева СО РАН (Новосибирск), Новосибирского государственного университета (Новосибирск), Самарского государственного технического университета (Самара) провели поиск возможных янус-структур с помощью квантово-химических методов и алгоритмов предсказания структур. Исследователи открыли восемь новых монослоев, для семи из которых не нашли аналогов среди известных представителей группы. Некоторые из них оказались энергетически более выгодными (то есть требовали меньше затрат энергии), а потому и более стабильными, чем структуры аналогичного состава. Это подразумевает, что монослои, предсказанные теоретически, могут быть также получены экспериментально.
Предложенные алгоритмом монослои различались по тому, как и какие атомы связывались друг с другом, это влияло на потенциальную устойчивость соединений. Например, слой, в котором халькогены связывались с ванадием, оказался стабильнее структурно аналогичного слоя, но с молибденом.
«Нам удалось обнаружить новые стабильные янус-структуры — большинство из них уникальны и не имеют аналогов в имеющихся базах данных. Наше исследование строения и свойств данных янус-структур послужит их будущему практическому использованию. Уже сейчас мы оцениваем перспективу их применения в реакции разложения воды», — рассказывает один из авторов работы Павел Гаврюшкин, кандидат технических наук, сотрудник Института биохимической физики имени Н.М. Эмануэля РАН.