Оксид графена — перспективный мембранный материал из-за его высокой водопроницаемости. Однако точные физические механизмы, управляющие этим процессом на молекулярном уровне, остаются плохо изученными, несмотря на более чем десятилетие практического применения. Ученые из МФТИ и ИТМО, с коллегами из Сингапура, проанализировали влияние структуры оксида графена на диффузию воды.
Работа опубликована в журнале Computational materials science. Мы расспросили об этом исследовании первого автора статьи — Анастасию Зеленину, аспирантку МФТИ и руководителя проекта, заместителя заведующего лабораторией компьютерного дизайна материалов МФТИ, Никиту Орехова.
«В октябре мы отмечали юбилей графена – главного героя двумерной революции в мире материалов – рассказывает Анастасия Зеленина. – Двадцать лет назад 22 октября 2004 в журнале Science вышла статья Electric field effect in atomically thin carbon films, собравшая за эти годы более семидесяти тысяч цитирований. И хотя сам графен, вопреки ранним прогнозам, пока еще не может похвастаться большим числом прикладных применений, он существенно расширил представления ученых о материалах и открыл дорогу целым семействам 2D структур. Среди них можно выделить максины (MXenes), дихалькогениды, графины, диаманы, а также производные самого графена, к числу которых относится и оксид графена (ОГ)».
Долгое время оксид графена находился в тени своих более именитых двумерных собратьев: его воспринимали просто как промежуточный продукт, возникающий в процессе синтеза самого графена. Дело в том, что для получения графена химическим путем сначала надо взять пиролитический графит и поместить его в кислоту. В ходе окисления он начнет распадаться на отдельные монослои – тот самый оксид графена. А потом эти монослои надо будет избавить от кислородных групп, т.е. восстановить – и получится графен.
Однако, со временем ученые начали присматриваться и к свойствам самого оксида графена, особенно к его необычно высокой водопроницаемости. Если чистый графен является крайне гидрофобным, то оксид графена, напротив, способен образовывать водородные связи с молекулами воды за счет наличия на его поверхности кислородных групп. Это свойство делает его перспективным материалом для селективных мембран, очищающих воду от ионов, макромолекул и даже бактерий. Но хотя про высокую проницаемость оксида графена уже давно известно из экспериментов, о точных механизмах диффузии молекул воды сквозь этот материал до сих пор ведутся споры.
Когда молекулы воды оказываются зажаты в узком зазоре между плоскостями оксида графена, их динамические свойства заметно меняются. На жаргоне такая ситуация называется “конфайнментом”. В нашей работе с помощью методов суперкомпьютерного атомистического моделирования мы проанализировали, влияет ли наноструктура оксида графена на характер диффузии воды.
Атомистическое моделирование позволяет численно описывать и предсказывать поведение каждого отдельного атома в некотором, как правило, очень небольшом объеме вещества. С вычислительной точки зрения такие методы являются крайне ресурсоемкими и требуют использования высокопроизводительных машин, способных для решения одной задачи задействовать одновременно сотни, а порой и тысячи отдельных процессоров, — так называемых суперкомпьютеров.
Кислородные группы в составе оксида графена не обязаны быть равномерно распределены по всей его поверхности: напротив, согласно нашим недавним результатам, опубликованным в журнале Surfaces and Interfaces, они стремятся собраться в кластеры. В итоге поверхность материала может представлять собой сложную мозаику из чередующихся окисленных и восстановленных наноразмерных областей. Диффузия воды вдоль границ между этими областями оказывается удивительно высокой, гораздо выше, чем в каждой из них по отдельности, а молекулы воды практически не испытывают сопротивления и скользят как конькобежец на льду.
В то время как предыдущие вычислительные исследования в основном были сосредоточены на диффузии внутри графеновых или окисленных областей, наши результаты подчеркивают критическую роль границы между этими областями. Диффузия вдоль таких границ представляет собой ранее не описанный механизм, который может дать правдоподобное объяснение высокой подвижности воды, наблюдаемой в оксиде графена.
«Потенциальная роль оксида графена не ограничена только мембранными функциями, – объясняет Никита Орехов. – Наши соавторы из Сингапура нашли для него еще одну прикладную нишу – они изготавливают на его основе гибкие актуаторы, реагирующие на лазерный нагрев. Это полоски материала, способные что-нибудь “схватить” или наоборот “отпустить” при воздействии внешнего импульса. Скорость реакции таких актуаторов зависит от того, как быстро они могут впитывать воду из атмосферы при охлаждении или, наоборот, испускать ее обратно при нагреве. То есть в основе эффекта опять же лежат механизмы диффузии воды в межслоевом пространстве».
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.