Ученые обнаружили наночастицы с необычным химическим составом

Химический состав и свойства микрообъектов, таких как наночастицы, могут принципиально отличаться от макрообъектов.

Ученые из России и Китая обнаружили множество новых и неожиданных наночастиц, а также способ регуляции их состава и свойств.

Полученные результаты открывают новые возможности для широкого использования наночастиц. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

Многообразие свойств казалось бы одного и того же материала (скажем, оксида кремния), но состоящего из наночастиц разного размера, и возможность контролировать эти свойства составляют суть нанотехнологий. 

Но как экспериментальное, так и теоретическое изучение структуры и состава наночастиц сталкивается с серьезными трудностями.

Ученые из Китая и Роcсии применили эволюционный алгоритм USPEX, разработанный профессором Сколтеха и МФТИ Артемом Огановым, для изучения широкого диапазона составов наночастиц. Исследователи рассмотрели два класса наночастиц, важных для катализа: железо-кислород и церий-кислород. 

Был обнаружен эффект — так называемые магические наночастицы, то есть частицы, обладающие повышенной стабильностью, которые могут иметь неожиданные химические составы (например, Fe6O4, Fe2O6, Fe4O13, Ce5O6, Ce3O12). Интересно, что ученые количественно показали возможность регулировать состав таких наночастиц, изменяя параметры окружающей среды — температуру или парциальное давление кислорода.

"Если у кристаллов неожиданные структуры мы обычно находим при необычных условиях, то у наночастиц необычные составы могут встретиться и при нормальных условиях, например Si4O18 или Ce3O12", — рассказывает первый автор исследования, доцент Технологического университета провинции Шаньси (Китай) Сяоху Ю, несколько лет проработавший в Москве, в лаборатории профессора Оганова в МФТИ.

"Одним из сюрпризов для нас было обнаружение у наночастиц таких же хребтов и островов стабильности и "морей нестабильности", которые давно известны для атомных ядер. 

И атомное ядро, и наши наночастицы можно описать как кластеры, состоящие из двух типов частиц (в нашем случае — например, из железа и кислорода, а в случае атомных ядер — из протонов и нейтронов). 

Если вы построите карту, осями которой будут числа атомов каждого сорта в кластере, то увидите, что большинство стабильных кластеров образуют узкие "хребты стабильности", но будут и весьма любопытные, с химической точки зрения, "острова стабильности".

Стабильные наночастицы, возможно, — элементарные кирпичики при росте кристаллов, этот вопрос меня интересовал с юности. И острова стабильности — это тема великой работы наших академиков Флерова и Оганесяна, с которыми я в детстве мечтал работать", — рассказал профессор Сколтеха и МФТИ Артем Оганов.