Многофункциональные лантаноидные катализаторы

Разработан новый подход к получению эффективных многофункциональных лантанидных катализаторов для синтеза практически важных азотгетероциклов, дегалоидирования углеводородов и расщепления углерод-углеродных связей, основанный на использовании в качестве базовых исходных реагентов кристаллогидратов солей лантанидов (КГСЛ).

Преимущество разработанных способов: более высокие выходы азотгетероциклов, катализаторы КГСЛ - доступные, выпускаемые отечественной промышленностью реагенты, многократное использование катализаторов; низкие температуры синтезов 25-100 С, атмосферное давление, отсутствие дополнительных реагентов.

На основе полученных 2,3-диалкилхинолинов разработан ингибитор коррозии ИКУ-1, внедренный в опытно-промышленном масштабе на ОАО Кирово-Чепецком химическом комбинате и ОАО Первоуральском новотрубном заводе. Обнаружена каталитическая активность (Kat) в реакциях дегалоидирования: 1,1-дигалогенциклопропанов (с образованием циситрансгалогенциклопропанов и алкил(арил)циклопропанов), галогенбензолов (с образованием бензола и гексана), тетрахлорфенола (с образованием фенола), 4,4'-дибромбифенила до 4-бромбифенила, 4-бромбифенила (с образованием бифенила).

Разработан новый каталитический однореакторный способ мягкого гидрогенолиза циклоалканов (C5-С10), а так же их замещенных производных в ациклические углеводороды, в том числе функционально замещённые.

 

Выход алканов (С5-С10) растёт с увеличением Баеровской энергии напряжения в цикле. Разработанный способ характеризуется более мягкими условиями, чем известные: низкая температура, атмосферное давление, простая технологическая аппаратура.

Полупроводниковые структуры

Исследователями из Технологического института Джорджии удалось достичь успеха в разработке метода изготовления транзисторов, которые в 100 раз быстрее, чем ранее созданные образцы. Проще говоря, новые транзисторы догнали своих собратьев, изготавливаемых из аморфного кремния.

Секретом разработки стало использование в каналах транзисторов тонких пленок из фуллерена C₆₀. Ученые не претендуют на роль первых исследователей, применивших C60 в транзисторах, изготавливаемых при комнатной температуре, но они первыми смогли продемонстрировать высокую подвижность электронов в таких приборах и предложить технологию изготовления транзисторов с высокой повторяемостью результатов.

Демонстрационный прибор был для удобства изготовлен на кремниевой подложке, но все его элементы выполнены из органических материалов и C₆₀ при комнатной температуре.

Металлический электрод был добавлен с применением того же самого процесса, который используется в производстве органических светодиодов и пластиковых солнечных батарей.

В будущем, исследователи намерены перейти к пластиковым подложкам и продемонстрировать возможность изготовления транзисторов с каналами n- и p-типа, что позволит создавать электронные цепи, подобные тем, что сейчас изготавливаются по технологии CMOS.

 

 

Отсюда вытекает новый перспективный метод создания:

· Сверхкомпактные и производительные элементы пельтье

· 3D - рентгеновский датчик

· датчик поляризации магнитного поля

· сверхскоростная память

· нейронные процессоры

· кристаллические источники света

· изотропные полупроводниковые структуры

· люминофоры краски и покрытия

· клей для медицины

Тиснумит — крепкий орешек

При огранке и полировке алмазов используют абразивные порошки из того же самого алмаза. Одинаковая твердость абразива и обрабатываемого материала создает определенные проблемы при таких работах. У алмаза, как и у большинства кристаллов, разные грани имеют неодинаковую твердость. Труднее всего поцарапать так называемую грань (111), на которой атомы углерода расположены наиболее плотно.

Именно при обработке поверхностей, параллельных данной кристаллографической грани, у ювелиров и технологов возникают особые трудности. Технологи ищут пути повышения твердости выращиваемых алмазов путем целенаправленного их легирования различными примесями, а также пытаются синтезировать вещества покрепче самого минерала.

Уже более 10 лет в научных кругах обсуждаются углеродные материалы, получаемые при высоких давлениях и температурах из молекул фуллерена С₆₀.

Среди синтезируемых кристаллических и аморфных структур особо интересна модификация фуллерита с большой долей «алмазоподобных» межатомных связей — до 80%. Остальная часть химических связей в этом веществе более прочная, чем алмазная, и подобна той, что соединяет атомы в плоскостях графита, в молекуле С₆₀.

Структура расположения атомов углерода в этом состоянии обеспечивает изотропность его механических свойств и отсутствие так называемых «легких» плоскостей скалывания, имеющихся у кристаллов алмаза. Как полагают, именно такая «рваная» и сильно напряженная кристаллическая структура и обеспечивает данному материалу твердость выше, чем у знаменитой грани (111) алмаза.

Этот материал, названный «тиснумит», уже нашел применение в сверхпрочных наконечниках зондовых сканирующих микроскопов NanoSkan («Вокруг света» № 6, 2005).

Недавно ученые из Германии открыли новый вариант алмазоподобной структуры: агрегированные алмазные наностержни (Aggregated Carbon NanoRods), с плотностью и твердостью на несколько процентов большими, чем у обычного кристаллического алмаза.

Ожидается, что такой материал ACNR найдет применение в различных нанотехнологиях.

 

Фуллереноподобные оксиды

Отличие фуллереноподобного оксида, полученного в лаборатории CRISMAT, от структурно схожего фуллерена С₈₄ состоит в том, что огромные алюминиевые сферы не пусты, а заполнены стронцием и кислородом, которые образуют слои вокруг центрального висмутового кластера, напоминая луковицу. Получение этой уникальной структуры открывает путь к синтезу других сложных фуллереноидов. Можно попробовать изменить размер алюминиевых сфер, заменить алюминий другими элементами или ввести внутрь сферы вместо стронция иные катионы, например кальций, рубидий, цезий. Всё это обещает огромное разнообразие полезных и необычных свойств — как физических, так и химических. Кстати, чтобы модифицировать свойства фуллеренов внутрь „углеродных мячиков“ тоже вводят различные катионы, то есть аналогия прослеживается и здесь.

Лет 10–12 назад удалось получить это соединение как побочный продукт в ходе работы над проектом, посвящённым висмутсодержащим высокотемпературным сверхпроводникам (ВТСП). Они определили его приблизительный состав (сложный алюминат, содержащий наряду с оксидом алюминия оксиды висмута, стронция, кальция) и на картине рентгеновской дифракции порошка отметили характерную интенсивную линию.

Это же соединение получили и на химическом факультете МГУ под руководством академика Ю.Д. Третьякова. Группа доцента П.Е. Казина синтезировала сверхпроводящий композит на основе висмутсодержащего ВТСП с включениями фаз, не обладающих сверхпроводящими свойствами.

В качестве таких включений пытались использовать и сложные оксиды алюминия. Чтобы надёжно определить состав полученных соединений, учёные МГУ синтезировали их отдельно и исследовали структуру с помощью рентгеновских лучей. Получился ряд кристаллических фаз, рентгенограммы которых оказались похожи между собой. Исследователи стали искать аналогичные структуры в научной литературе, но найти не могли. Когда они уже не надеялись на успех, в электронной базе данных по рентгеновской дифракции порошков удалось обнаружить схожее соединение. Его в 1994 году синтезировал А.А. Буш из Московского института радиоэлектроники и автоматики. Он определил параметры решётки и пространственную группу сложного оксида, но так и не выяснил структуру.

В ходе работы с оксидом исследователи наблюдали необычное поведение системы, содержащей эту фазу. При 800-900°С внутри стеклокерамических образцов, легированных оксидом, образовывалось что-то вроде метастабильной жидкости, богатой оксидом алюминия, который, как известно, плавится при температуре выше 2000°С! Появление такой метастабильной жидкости, по мнению учёных, может свидетельствовать об образовании сложных алюминийсодержащих молекул или ионов в расплаве, которые состоят из десятков-сотен атомов. Таким образом создаётся возможность формировать наноразмерные молекулы или молекулярные ионы неорганических оксидов. Если такие частицы будут обладать, например, полупроводниковыми свойствами, на их основе, возможно, удастся создать УФ-лазеры. Подобные оксиды могут быть своеобразным мостом между обычными кристаллами и наночастицами.

 

Заключение

Еще вчера подобного масштаба исследования стали бы основой создания нового грозного оружия и были бы засекречены. Сегодня это главным образом область открытых междисциплинарных исследований в мирных целях. В то же время их применение означает грядущую технологическую революцию, результаты которой трудно предвидеть.

Активность фуллеренов позволяет применять их в технологических процессах, связанных с выращиванием кристаллов, проведением селективных каталитических превращений и прежде всего с получением совершенно новых материалов с искусственно упорядоченными электронными, магнитными и оптическими свойствами. Это, например:

· полимерные материалы, обладающие заданной величиной проводимости или магнитными свойствами;

· высокоселективные катализаторы;

· высокоселективные абсорбенты;

· новые классы сверхпроводников;

· полупроводники;

· пара-, феро-, диамагнетиков;

· сегнетоэлектрики

· нелинейные оптические материалы.

Реально создание нового материала, который в 200 раз прочнее стали. Фуллерены с характерным размером кластеров около 10 ангстрем могут быть использованы как «нанокирпичики» для создания новых материалов, в том числе для сверхплотной записи информации. Пленки, полученные на основе фуллерена, могут решить проблему очистки загрязненных поверхностей. Увеличение отражения покрытой фуллереном поверхности при облучении ее лазером позволяет делать самолеты практически невидимыми для лазерных радаров. Фуллерены позволят улучшить характеристики таких устройств, как лазеры, фотопленки, люминофоры, магнитные диски и компьютеры, создать экологически чистые источники тока.

Самая поразительная возможность фуллеренов - это целенаправленное выращивание в химическими методами - в пробирке - микрочипов размеров, сопоставимых с нейронами, как основы для компьютеров. В перспективе это означает создание карманных суперкомпьютеров. Одновременно увеличиваются и возможности исследователей, что позволяет предвидеть поток новых открытий и изобретений в любых областях, в том числе и самых неожиданных.

В связи с очень высокой ценой фуллеренов (цена 1 грамма - от 40 долларов за экстракт С60 и С70 до 65 тысяч долларов за С84) их промышленное применение в технике - вопрос отнюдь не самого ближайшего будущего. Но зато большие сенсации ждут нас в области применения фуллеренов в медицине. Самый сенсационный результат - возможность применения производных фуллерена для лечения вирусных заболеваний, вызываемых ВИЧ-инфекцией. Уже есть экспериментальные результаты о воздействии их на вирус ВИЧа при нетоксичности и хорошей переносимости в больших дозах животными. Сегодня ведущей причиной смертности стал атеросклероз и соответственно большое развитие получило лечение его методом гемосорбции. Поэтому разработка средств для гемосорбции - плазмосорбентов на основе фуллерена стала одним из главных достижений в экспериментальной медицине. Зарегистрирована заявка ученых из Санкт-Петербурга (Фонд интеллектуального сотрудничества) на "Сорбент для удаления атерогенных липопротеидов из крови и способ его получения", началось его медицинское исследование.

Стратегическое научное значение фуллеренов - благодаря им связь между различными естественными науками становится гораздо более тесной. Это ведет к расширению научного кругозора ученых и инженеров и углублению мировоззренческого базиса науки в целом.