C использованием численного метода молекулярной динамики в лаборатории сорбционных процессов Института физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина (ИФХЭ) РАН предложена методика самоорганизации углеродных нанотрубок в массив при помощи молекул-координаторов (молекул толуола).

Моделирование позволило подтвердить ранее экспериментально обнаруженный в этой лаборатории эффект перестройки нанотрубок в массивы, приводящий к образованию развитой микропористой структуры и значительному увеличению адсорбции метана.

Работа выполнялась в рамках государственного задания N 0081-2019-0018. Результаты могут быть использованы для создания супрамолекулярной структуры на основе углеродных нанотрубок.

Молекулярное моделирование показало, что при добавлении в систему, содержащую однослойные нехиральные нанотрубки, молекул толуола, те адсорбируются на поверхности нанотрубок. При этом происходит перекоординация нанотрубок. Молекулы толуола «раздвигают» их и формируют пучки, преимущественно в триангулярной упаковке. Удаление из системы части молекул толуола, т.е. моделирование процесса десорбции, показало, что структура сохраняется даже при небольшом содержании координирующих молекул.

При исследовании адсорбции метана на полученной супрамолекулярной структуре выяснилось, что молекула толуола служит дополнительным центром адсорбции и повышает адсорбцию метана.

«При упорядочивании массива нанотрубок создается дополнительная пористость, потому что адсорбируемая молекула может занимать место не только внутри нанотрубки, но и в пространстве между ними», – объяснила один из авторов работы, инженер-исследователь Виктория Гайдамавичюте.

Нанотрубки – дорогой материал, который обладает экстраординарными механическими, электронными и химическими свойствами. С тех пор, как в 90-ые годы были открыты нанотрубки и установлены основные закономерности их свойств и структуры, многие научные группы работают над тем, чтобы использовать этот уникальный материал в технологических процессах. Использование нанотрубок в качестве аккумуляторов газа неэффективно, потому что внутренний объем микропор очень мал. Однако при упорядочивании нанотрубок в массивы в виде пучков, в которых те находятся друг от друга на определенном расстоянии, адсорбция большей частью происходит внутри пучков в пустотах между трубками. Собирая углеродные нанотрубки в пучки, удается создавать адсорбенты с развитой микропористой структурой, наиболее подходящей для аккумулирования различных технически важных газов.

Обычно для того, чтобы создать массив из нанотрубок, их выращивают на токопроводящей подложке. В ИФХЭ РАН с помощью молекул толуола удалось скоординировать изначально хаотично расположенные нанотрубки так, чтобы адсорбционная способность материала увеличилась.

«Целью моделирования было определить наименьшее количество толуола, достаточного для поддержания супрамолекулярной структуры, – продолжила Виктория Гайдамавичюте. – В процессе моделирования рассматривалось не только положение молекул относительно друг друга, но и изменение энергии системы, а также другие её параметры. Мы показали, что упакованный таким способом массив нанотрубок аккумулирует большее количество метана, чем неупакованные нанотрубки».

Модель позволила понять, как происходит координирование нанотрубок и почему резко увеличивается объем, доступный для адсорбции. В результате была разработана методика координирования нанотрубок с помощью молекул толуола.

«Наши результаты по упорядочиванию хаотически расположенных нанотрубок с помощью молекул-координаторов – это первый шаг к созданию универсального адсорбента, микропористую структуру которого можно изменять непосредственно в адсорбере, – прокомментировал заместитель заведующего лабораторией сорбционных процессов ИФХЭ РАН, кандидат химических наук Андрей Школин. – В настоящий момент мы показали, что самоорганизация нанотрубок, кратно увеличивающая адсорбцию метана, возможна. Мы определили условия, необходимые как для самоорганизации нанотрубок в массив, так и для разрушения упорядоченной структуры – то есть для ее возврата в первоначальное состояние, из которого она может быть скоординирована в массив с другими параметрами пористой структуры для решения другой промышленной задачи. В будущем этот подход может найти применение, например, в космической отрасли, где адсорбционные комплексы невелики по размеру. Возможность циклической перенастройки пористой структуры адсорбента позволит решать разные задачи с одним и тем же исходным материалом, не поднимая на орбиту ничего лишнего. Учитывая высокую стоимость доставки груза в космос, получится значительный экономический эффект даже при работе с таким дорогим сырьем, как углеродные нанотрубки. Также ищем новые, более дешевые материалы, которые можно будет использовать в рамках нашей концепции».

Источник: Ольга Макарова, 
пресс-служба ИФХЭ РАН.