Открыты острова стабильности для наночастиц

Ученые из России и Китая обнаружили множество новых и неожиданных наночастиц, а также способ регуляции их состава и свойств. Новые данные потенциально способны значительно продвинуть промышленную каталитическую химию и ряд других областей. Важен и теоретический результат: впервые удалось показать, что для наночастиц существуют острова стабильности, подобные тем, что существуют для химических элементов.

© Fotolia / Shawn Hempel

Наночастицы уже успешно показали себя в самых разных областях — от катализаторов нового поколения с повышенной эффективностью до средств антираковой терапии (точечная доставка антираковых средств). Однако для того, чтобы пользоваться ими оптимально, надо точно представлять их свойства и состав. Сделать это не так просто: часто один и тот же вроде бы знакомый материал (например, оксид кремния) в виде наночастиц разного размера имеет совершенно разные свойства. Очевидно, что он образует какие-то разные структуры, что и определяет эволюцию его свойств, но точно изучить такие структуры крайне сложно — уж очень они малы, а их изучение «контактными» методами часто ведет к нарушению исследуемой структуры еще до того, как ее удастся полностью понять.

В этот раз исследователи применили эволюционный алгоритм USPEX, ранее разработанный профессором Сколтеха и МФТИ Артемом Огановым. С его помощью они смоделировали большое количество возможных составов и структур наночастиц. Ими были рассмотрены два класса наночастиц, важных для катализа в самых разных областях промышленности, — частиц на основе железа и кислорода и на основе церия и кислорода. Обнаружилось, что «магические наночастицы» — так называют частицы, обладающие повышенной стабильностью и за счет этого часто ценимые в практических приложениях, — могут иметь очень неожиданный химический состав, то есть участвовать в соединениях, которые те же элементы вне наночастиц иметь не могут. Например, оказались стабильными при обычных температурах и давлении наночастицы с составом  Fe6O4, Fe2O6, Fe4O13 или Ce5O6  и Ce3O12 . Более того, оказалось, что можно детально регулировать состав таких наночастиц, просто поменяв параметры окружающей среды — те же температуру или давление кислорода.

Авторы работы обнаружили также, что для наночастиц действует понятие островов стабильности, ранее считавшихся применимыми лишь к ядрам атомов, состоящим из нейтронов и протонов. Так же, как атомные ядра, которые после достижение определенного количества нейтронов и протонов могут от нестабильности (малого периода полураспада) внезапно перейти к стабильности, наночастицы «нереалистичных» составов после достижения определенных численных сочетаний атомов разных типов могут обрести стабильность при, казалось бы, обреченном на нестабильность химическом составе.

Таким образом, работа обнаружила целые группы высокостабильных (а значит, потенциально полезных практически) наночастиц, само существование которых ранее не рассматривалось как возможное. К тому же она примерно описала их свойства, что упростит ученым-прикладникам задачу точнее подыскивать конкретные приложения для таких наночастиц в промышленности.

Статья опубликована в Physical Chemistry Chemical Physics  
Источник: chrdk.ru