Один атом убрал, другой добавил, получил новое вещество - наткнулся на философский камень... Фантастика, магия, волшебство, - скажете вы. Особенно для человека, далёкого от химии. Но для двух молодых учёных ЧелГУ Лилии Коваленко и Фёдора Ярошенко это лишь часть их картины мира.
Исследование Лилии посвящено физикохимическим свойствам полисурьмяной кислоты*, допированной* ионами ванадия, Фёдор занимается разработкой и исследованием гибридных мембран на основе полисурьмяной кислоты. Что их объединяет?
Фёдор: Сначала объединял общий научный руководитель. Меня больше интересовала протонная проводимость, а Лилю привлекали ионный обмен и допирование гетеро- и изовалентными ионами полисурьмяной кислоты. Но спустя несколько лет узкие направления стали расширяться и появились точки соприкосновения, которых со временем стало всё больше. И на данный момент меня тоже интересует допирование, а Лилю – проводимость.
Лилия: В будущем планируем взять мой порошок и поместить в мембрану, которой занимается Фёдор.
Расскажите о ваших исследованиях, в чём их суть?
Лилия: Мы модифицируем известный протонный проводник и ионообменник гидратированный оксид сурьмы (это оксид сурьмы, который в своём составе содержит воду), чтобы улучшить его свойства. Такая практика сейчас очень популярна в мире науки – взять известный материал и его немного изменить, чтобы получить что-то новое, обладающее лучшими свойствами, чем «прародитель». В течение двух лет у меня ничего не получалось (оказывается не так просто менять положения атомов в кристаллической решётке), «прародитель» отказывался впускать в структуру чужой атом (тогда я пыталась заменить сурьму на серу). Однако открыть новое соединение (оно действительно новое) всё же удалось. Об открытии нам просигнализировал цвет соединения (он изменился с белого на зелёный), сохранение положения атомов (кристаллографический анализ), и близость свойств «прародителя» и нового вещества – гидратированного оксида сурьмы, допированного ионами ванадия.
Фёдор: Если просто, суть моих исследований состоит в изучении влияния различных допантов*: ионов фосфора, титана, кремния в полисурьмяной кислоте на её свойства.
Как выбрали тему исследования?
Фёдор: Когда выбирал научного руководителя, мне его тема показалась наиболее перспективной из всех возможных, и ни разу ещё в этом не усомнился.
Лилия: Я хоть и выбирала руководителя, но тема скорее сама нашла меня. Научный коллектив, в который я попала на третьем курсе, занимался исследованием твёрдых электролитов на основе соединений сурьмы, мне доверили исследование диффузионных характеристик. Тема была настолько интересная, что и бакалаврский, и магистерский диплом был посвящён этому. И до сих пор остаются спорные моменты.
Можете привести пример как работает допирование?
Лилия: Все мы знакомы с золотом. Так вот, можно максимально золото убрать из соединения и заменить, например, медью. Именно поэтому они очень похожи внешне. Такая практика есть. Но наоборот – не получится. Можно на 60% заместить медь золотом в решётке, но дальше не выйдет. Созданию философского камня мешают законы «совместимости» атомов.
Где могут использоваться результаты ваших исследований?
Лилия: Допирование – это процесс искусственного внедрения или замещения ионов в веществе для изменения его проводимости. Это нужно для увеличения протонной проводимости. Полисурьмяная кислота перспективна в водородной энергетике. Сейчас мы пользуемся нефтью, природным газом, а полисурьмяная кислота будет не просто в топливном элементе, она станет его сердцем. Также это вещество интересно экологам. Благодаря свойству впитывать в себя тяжёлые элементы и не отдавать их обратно, оно может служить фильтром.
Фёдор: У нас вся техника – это полупроводники. Допустим, взять кремний. Мы заменяем в решётке один атом кремния на фосфор или мышьяк. Таким образом, меняем валентность и, следовательно, свойства вещества. Конечно, наши исследования фундаментальны и, возможно, будут использованы лет через 50 или 100, но сейчас нас интересует сам механизм действия.
Почему такой срок?
Лилия: Наши объекты – это порошки, а должны быть, возможно, плёнки или пластинки. А чтобы проверить сам топливный элемент, нужна платина. От нас есть попытки сделать мембрану, но до сборки топливного элемента мы пока не дошли. Постараемся сделать пробный.
Фёдор: В научном центре Черноголовки, где Лилия представляла недавно наши исследования, есть такие механизмы для проверки. У нас пока нет.
Какие перспективы у ваших исследований?
Фёдор: Большие перспективы применения в мембранах топливных элементов (водородная энергетика), меньше – как поглотители (сорбенты) тяжёлых металлов. На сегодняшний момент стоит вопрос об улучшении свойств этих мембран. Один из способов – это внедрение неорганических наночастиц. Сейчас некоторые автоконцерны производят автомобили на таких топливных элементах. Они меньше весят и не портятся. Плюс ёмкость у них намного выше.
Не вредно это для экологии?
Лилия: Нет. При работе топливного элемента водород отдаёт электроны (которые питают всё, что угодно), а сам взаимодействует с кислородом и превращается в воду. При этом не выделяются ни оксиды углерода и азота, ни углеводороды. Соответственно, такие установки не наносят вред окружающей среде, не имеют токсичного воздействия.
Что важно при ваших исследованиях?
Лилия: Точность! У нас есть ряд методов, которые мы используем. Рентгеновская дифракция – проверка правильности «вставки» и расположения атомов. Он позволяет нам посмотреть кристаллическую структуру вещества. Я два года пыталась заместить сурьму на серу, и ничего не получалось. В таблице Менделеева очень много элементов, и не каждый можно заместить. Главное условие допирования, чтобы атомы были близки по электроотрицательностям и радиусу. Только тогда возможно получение твёрдого раствора.
Какие качества вам помогают в работе?
Лилия: Для химиков важны такие качества, как точность, усидчивость, желание разобраться в той или иной задаче и прийти к результату, трудолюбие, терпение – многие синтезы по длительности больше суток.
Фёдор: Для любого исследователя, не только для химика, важно упорство. А для химика – вера в то, что можно сделать всё (в том числе и философский камень – к тому, что от химиков всегда ждут чудес) и ничто нас не остановит.
Расскажите забавный случай из практики ваших исследований.
Фёдор: Допировали мы как-то со студентами фосфором полисурьмяную кислоту и получили лабу в тумане, в которую не хотели заходить даже после двух выходных, и ещё прикольной консистенции гель. Но про лабу в тумане мне до сих пор вспоминают.
Лилия: В аспирантуре мной были получены допированные формы гидратированного оксида сурьмы. В качестве добавки использовала соединения ванадия. В зависимости от добавки ванадия могут быть получены вещества различных цветов. В один из дней, делая почти одно и то же, по-разному приливая компоненты, меняя количество ванадия, получила растворы почти всех цветов радуги.
Что вы считаете личным открытием?
Лилия: Успешный синтез соединений. После двух лет неудачных синтезов, смены темы исследования мне всё-таки удалось получить допированное соединение.
Фёдор: Считаю, что мне удалось поместить наночастицы полисурьмяной кислоты в объём полимерной мембраны. Я сделал большой шаг к практическому применению наших исследований. Задача была не из простых.
*Полисурьмяная кристаллическая кислота (ПСКК) — твердая поликислота состава Sb2O5*nH2O, относится к классу неорганических ионообменных материалов, которые используются для создания композиционных обменных мембран.
*Допирование (легирование) — процесс внедрения примесных атомов в полупроводник (неорганической, органической или полимерной природы) для изменения его проводимости.
*Допант – модифицирующая добавка, повышающая удельную электрическую проводимость или оптические свойства материала. Добавляется в очень малых концентрациях. При добавлении в кристаллические вещества, атомы допанта часто замещают элементы кристаллической решётки.
Автор материала: Нина Басова
Фото Мария Грязнова