Платина — это не только драгоценный металл, используемый в ювелирных украшениях или автомобильных катализаторах. За её уникальными свойствами стоит сложная и многогранная наука, объединяющая геологию, химию, физику, материаловедение и даже медицину. В этой статье мы погрузимся в мир фундаментальных исследований платины: узнаем, как она формируется в земной коре, как учёные управляют её свойствами на атомарном уровне и какие перспективы открываются благодаря новейшим открытиям.
⛰️ Геология платины: рождение металла в недрах Земли
95% мировой добычи меди, никеля и металлов платиновой группы (платина, палладий, родий, рутений, осмий, иридий) сосредоточено в трёх регионах мира: в Южной Африке (Бушвельдский комплекс), в Канаде (бассейн Садбери) и в России (Норильский район) .
Образование платиновых месторождений начинается с подъёма мантийной магмы к земной коре. По мере остывания магмы внутри интрузии (магматического тела) происходит её разделение на силикатную и сульфидную составляющие. Элементы платиновой группы проявляют так называемые халькофильные свойства — они стремятся концентрироваться именно в сульфидном расплаве . Именно так формируются богатые месторождения, где платина добывается попутно с медью и никелем.
Однако часть платины может теряться с отвальными хвостами — отходами процесса обогащения. Красноярские учёные из Института химии и химической технологии ФИЦ КНЦ СО РАН обнаружили, что сульфидный минерал валлериит обладает уникальной способностью накапливать платину в металлической форме. В отличие от других сульфидов, на поверхности валлериита образуется отрицательно заряженный сульфидный нанослой, который восстанавливает платину до чистого металла .
«Мы посмотрели, как в природе взаимодействуют платина и минералы, содержащие серу. Исследование позволит понять, в каких месторождениях её можно обнаружить, в какой форме она там находится, а также как правильно её извлекать», — поясняет кандидат химических наук Александр Романченко .
В сульфид-недосыщенных системах платиноиды могут входить в состав хромита — минерала группы хромшпинели. Часть металлов находится в кристаллической решётке хромита в виде твёрдого раствора, а часть захватывается в виде мельчайших (наноразмерных) включений собственных сплавов, например, железо-платиновых или осмий-иридиевых .
Для изучения этих процессов учёные Института экспериментальной минералогии РАН, Института ядерной физики СО РАН и их зарубежные коллеги разработали математическую модель, основанную на классическом принципе Делеса (XIX век). Адаптировав его с помощью компьютерного моделирования, они смогли оценить вклад прямой кристаллизации платиновых металлов в магматических породах .
🧪 Химия платины: загадки растворов и новые пути синтеза катализаторов
Химия платины полна неожиданностей. Учёные Томского политехнического университета (ТПУ) и Института неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН опровергли устоявшиеся представления о поведении платины в концентрированных азотнокислых растворах — средах, критически важных для производства автомобильных катализаторов .
Долгое время существовала «двойственная маркировка» нитратов платины: коммерческие препараты относили к соединениям со степенью окисления +2 или +4. Исследователи показали, что нитрат платины (+2) не может существовать в таких растворах из-за быстрого окисления. На самом деле это нитрат платины (+4), содержащий дополнительно нитрит-ионы. Но самое важное открытие — впервые были зафиксированы стабильные нитратные комплексы платины (+3), которые обычно живут лишь доли секунды .
Это открытие имеет огромное практическое значение. Полученные соединения платины (+4) в нитритно-нитратном окружении оказались значительно стабильнее чисто нитратных солей и могут быстро сорбироваться на оксидных носителях, что открывает новые пути синтеза высокоэффективных каталитических материалов .
Другое фундаментальное исследование провели учёные из Института неорганической химии СО РАН, изучая процесс замены хлора на кислород в хлорокомплексах платины — ключевую реакцию для получения гидроксокомплексов платины (соединений с атомами кислорода и водорода) .
«Если в стартовом соединении часть атомов хлора уже замещена на кислород, то процесс добирается до финиша медленнее, в десятки раз, чем если стартовать с соединения с полностью хлоридным окружением платины», — объяснил кандидат химических наук Данила Васильченко .
Это знание позволяет управлять процессом: либо проводить замену шаг за шагом, либо осуществить её быстро, за одну стадию. Такие соединения-предшественники (прекурсоры) используются для нанесения плёнок платины на медицинские инструменты, для «залечивания» трещин в трубопроводах АЭС, для создания противораковых препаратов и для получения наночастиц платины с контролируемым размером .
🔬 Нанонаука: управляя атомами платины
На наноуровне платина раскрывает свой истинный потенциал. Благодаря огромной площади поверхности по отношению к массе, наночастицы платины проявляют выдающуюся каталитическую активность.
Международная группа учёных под руководством исследователей из DESY и Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) изучила, что происходит с наночастицами платины с родиевой оболочкой (ядро Pt — оболочка Rh) в процессе катализа . Используя уникальную методику — совмещение электронной микроскопии и рентгеновской фотоэмиссионной электронной микроскопии (XPEEM) на синхротроне BESSY II, они впервые увидели, что родий может частично диффундировать в ядро из платины, а скорость окисления родия сильно зависит от ориентации кристаллических граней наночастицы, достигая максимума на гранях с большим количеством атомных ступенек .
Ещё одно захватывающее открытие, сделанное на Европейском синхротроне ESRF, показало, что наночастицы платины способны «дышать» при адсорбции водорода. В статье, опубликованной в Nature Communications, исследователи описали, как структура наночастиц Pt обратимо перестраивается, а сами частицы слабее связываются с подложкой при покрытии водородом .
Исследователи из Южного университета науки и технологий (SUSTech) и их коллеги пошли ещё дальше, предложив использовать 2D-материалы — так называемые MBenes (двумерные бориды переходных металлов) в качестве подложки для стабилизации атомарно-тонких слоёв платины (монослоя). Расчёты показали, что взаимодействие платины с поверхностью MBenes достаточно сильное, чтобы преодолеть кохезию внутри объёмной платины и получить стабильный монослой. Такой катализатор (Pt@MBene) для дегидрирования пропана показал высокую селективность к пропилену и устойчивость к закоксовыванию, а значит, и более долгий срок службы .
🧬 Платина в медицине: от химиотерапии до диагностики рака
Платина нашла своё место не только в промышленности, но и в медицине. В то время как классические противораковые препараты на основе платины (цисплатин, карбоплатин) работают уже несколько десятилетий, современные исследования направлены на создание принципиально новых систем для диагностики и лечения.
Учёные из Китая разработали серию комплексов платины(II), которые способны самоорганизовываться при связывании с определённым биомаркером — сиаловой кислотой (Sialic acid). Уровень сиаловых кислот значительно повышен на поверхности раковых клеток по сравнению с нормальными. Связывание комплексов с сиаловыми кислотами вызывает их агрегацию, что приводит к мощному люминесцентному сигналу благодаря взаимодействиям Pt(II)···Pt(II) и π-π стэкинг-взаимодействиям .
Это позволяет не только обнаруживать раковые клетки, но и визуализировать их. Данная технология может быть использована для ранней диагностики рака и для скрининга новых противораковых агентов .
💎 Заключение
Наука о платине — это наука о том, как понимание глубинных процессов геологии, тонкое управление химическими реакциями на уровне молекул и атомов и использование новейших вычислительных и экспериментальных методов открывают путь к созданию технологий будущего: от более эффективных и долговечных катализаторов до новых методов диагностики и лечения рака.