Химики из России и Китая раскрыли секрет "магических" наночастиц

МОСКВА, 24 дек – РИА Новости. Химики из МФТИ, "Сколтеха" и Китая выяснили, что наночастицы и атомы устроены схожим образом, что объясняет существование необычно стабильных частиц с "магическим" составом. Их выводы были представлены в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

«

"Одним из сюрпризов для нас было обнаружение у наночастиц таких же хребтов и островов стабильности и "морей нестабильности", какие давно известны для атомных ядер. Стабильные наночастицы, возможно, являются элементарными кирпичиками при росте кристаллов, что интересует меня с юности", — рассказывает Артем Оганов, профессор Сколтеха и МФТИ.

В последние несколько десятилетий химики, биологи и физики активно используют наночастицы для создания новых катализаторов, лечения рака, различных электронных и оптических приборов и многих других футуристических гаджетов и реактивов. Свойства подобных наноструктур сегодня изучаются почти только экспериментальным путем.

Ученые меняют форму наночастиц, их размеры и расположение в надежде открыть материалы с уникальными или более интересными свойствами. Подобный "слепой" поиск позволяет создать много интересных материалов, но он не позволяет создавать их быстро и заранее знать, в каком направлении нужно двигаться.

Оганова и его коллег, как отмечает пресс-служба МФТИ, интересовало то, почему некоторые наночастицы, которые ученые иногда называют "магическими", обладают неожиданно высокой стабильностью и другими интересными свойствами.

Они попытались найти ответ на этот вопрос, используя алгоритм USPEX, позволяющий быстро и точно вычислять свойства кристаллов разных веществ при самых разных температурах и давлениях, "используя лишь их химическую формулу и названия элементов".

Взяв несколько "магических", обычных и нестабильных наночастиц, состоящих из оксидов железа и церия, российские и китайские химики попытались просчитать их структуру, используя данные по их "среднему" химическому составу и алгоритм Оганова. Эти расчеты привели к необычному и интересному открытию.

"И атомное ядро, и наши наночастицы можно описать как кластеры, состоящие из двух типов частиц, состоящие из атомов железа и кислорода или же протонов и нейтронов. И если вы построите карту, осями которой будут числа атомов каждого сорта в кластере, то увидите, что большинство стабильных кластеров образуют узкие "хребты стабильности". Вдобавок, возникнут весьма любопытные "острова стабильности", — продолжает Оганов.

Иными словами, на этой карте существуют особые "магические зоны", определенные числа атомов железа, церия и кислорода, делающие наночастицы особенно стабильными. Как и в случае с ядерной физикой, возможно существование двойных "магических" чисел – особенно стабильных структур с "правильным" количеством и атомов кислорода, и атомов металла.

Многие "жители" этого острова, как отмечают ученые, обладают крайне необычной структурой. Они содержат в себе крайне много атомов или одного, или другого элемента, что раньше химики считали невозможным в принципе. Тем не менее, и расчеты Оганова и его коллег, и реальные опыты в лаборатории показывают, что они сохраняют стабильность и при комнатных температурах.

Вдобавок, химикам удалось выяснить, как можно менять состав таких наночастиц и манипулировать их структурой, меняя температуру, давление и количество кислорода в окружающей среде при их синтезе. Как надеются ученые, их открытие и формулы помогут ускорить создание других интересных и полезных наночастиц.