Исследователи из Северо-Западного Университета США нашли ответ на загадку, которая уже несколько лет ставила в тупик специалистов по химии материалов, причем разгадка оказалась довольно простой и тривиальной.
Как и многие коллеги, Цзясин Хуан (Jiaxing Huang) не понимал, чем обусловлена высокая устойчивость пленок из оксида графена [ graphene oxide (GO) ] по отношению к воде. Теоретически можно было предположить, что отдельные слои оксида графена в воде должны приобретать отрицательный заряд и отталкиваться друг от друга, что, в свою очередь, должно приводить к разрушению мембраны. Тем не менее, в ранних работах, посвященных мембранам из оксида графена, отмечалась стабилизация таких мембран в воде, а не их разрушение. По словам Хуана, такое поведение графеноксидных мембран ставило в тупик многих ученых.
Слева - разрушившаяся в воде мембрана из чистого оксида графена. Загрязненная пленка из оксида графена (рисунок справа) сохраняет устойчивость. (Рисунок из Nature Chemistry, 2015; DOI: 10.1038/nchem.2145)
Оксид графена, продукт окисления графита, часто применяется в качестве прекурсора для получения графена, двумерной аллотропной модификации углерода, привлекательной своей уникальной прочностью, низкой плотностью и электронными свойствами. Тем не менее, за последние три года внимание ряда исследователей привлекает и сам оксид графена, в том числе и из-за потенциальной возможности применения этого материала для разделения сложных смесей.
После многолетнего изучения материала Хуан установил, что секретом таинственной устойчивости оксида графена является непреднамеренное введение в материал добавок, загрязняющих его. Для получения оксида графена часто применяется кислотное напыление отдельных листов оксида графена за счет его пропускания через пористые фильтрующие диски из анодированного оксида алюминия - такие диски часто применяются для получения мембран и на основе других наноматериалов. Исследователи из группы Хуана обнаружили, что в ходе процесса такого распыления происходит коррозия алюминия в кислой среде, приводящая к образованию значительного количества ионов Al3+. Положительно заряженные ионы связываются с отрицательно заряженными листами оксида графена, стабилизируя образующуюся мембрану.
Как отмечает Хуан, загадка устойчивости графеноксидных мембран была решена после применения базовых знаний по неорганической химии, известных каждому школьнику - стабильность мембран из оксида графена является всего лишь вопросом чистоты образца. Другие поливалентные ионы металлов, как например ион марганца, который может образовываться в процессе синтеза оксида графена, также может способствовать сшивке отдельных слоев оксида графена.
Результаты исследования Хуана также позволяют говорить о том, что пленки оксида графена на так прочны, как это предполагалось ранее: прочность чистых графеноксидных пленок, не содержащих сшивающих ионов-загрязнителей, в три-четыре раза меньше, чем прочность мембран, стабилизированных случайно попавшими в материал в процессе его получения ионами.