Исследование структурных и физико-химических свойств оксида графена с помощью суперкомпьютерных методов моделирования

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-23-00442

НазваниеИсследование структурных и физико-химических свойств оксида графена с помощью суперкомпьютерных методов моделирования

Руководитель Орехов Никита Дмитриевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-701 - Структура и свойства органических и гибридных функциональных материалов

Ключевые слова молекулярная динамика, теория функционала электронной плотности, углеродные наноматериалы, оксид графена

Код ГРНТИ31.15.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Оксид графена (ОГ) и композиты на его основе являются перспективными материалами для многих отраслей индустрии, с такими потенциальными приложениями как: 1) создание на основе ОГ мембран для фильтрации и очищения воды 2) разработка на основе ОГ биосовместимых актуаторов 3) усовершенствование методик восстановления ОГ до графена. Однако отсутствие на текущий момент детального понимания структуры ОГ выливается в проблемы с интерпретацией физико-химических процессов, протекающих на его поверхности (взаимодействие ОГ с водой, распределение зарядовой плотности на его поверхности, диффузия интеркалированных ионов и т.д.). Отсутствие таких знаний затрудняет поиск и развитие прикладных применений ОГ. Экспериментальный анализ структуры ОГ как правило сводится к методам XPS и рамановской спектроскопии, которые дают только полуколичественные данные об элементарном составе материал. В этой связи особо актуальной представляется попытка разработать численную методику определения наиболее энергетически предпочтительных конфигураций ОГ. В рамках проекта будет исследована структура ОГ, определен характер распределения кислородсодержащих групп на поверхности ОГ как для монослоя, так и для многослойной конфигурации. Будут определены механизмы диффузии молекул воды сквозь многослойный ОГ, ответственные за его необычно высокую проницаемость для воды. Также будет исследованы фундаментальные механизмы, отвечающие за работу актуаторов на основе ОГ – пластинок из многослойного ОГ, в которых возникают механических напряжений при изменении влажности внешней среды. Развитие тематики проекта будет проводиться в тесном контакте с экспериментальными коллективами, занимающими лидирующие роли в исследовании прикладных возможностей ОГ и материалов на его основе.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ю.В.Бондарева, М.А.Логунов, П.В. Дьяконов, А.А. Рубекина, Е.А. Ширшин, А.В. Сыбачин, К.И. Маслаков, М.А. Кирсанова, С.В. Осипенко, Д.Г. Квашнин, Е.В. Суханова, З.И. Попов, Н.Д. Орехов, С.А. Евлашин Tracking the quality of graphene oxide suspension during long-term storage Surfaces and Interfaces, Elsevier, 2024, Surfaces and Interfaces, Volume 52, September 2024, 104842 (год публикации - 2024)
10.1016/j.surfin.2024.104842

2. А.И. Зеленина, Е.В. Скорб, Д.В. Андреева, Н.Д. Орехов Ultrafast water diffusion along the interface between oxidized and pristine regions in graphene oxide: Reactive molecular dynamics study Computational Materials Science, Elsevier, 2024, Computational Materials Science, Volume 247, 113461 (год публикации - 2024)
10.1016/j.commatsci.2024.113461

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В рамках классической молекулярной динамики с реакционными межатомными потенциалами были рассчитаны коэффициенты диффузии воды, интеркалированной между слоями оксида графена (ОГ). При этом рассматривалось два варианта наноструктуры ОГ: со случайным равномерным распределением кислородных групп и с расположением кислородных групп в виде кластеров. 1) Для равномерно окисленного ОГ коэффициенты диффузии воды монотонно возрастают от 18 до 105 А^2/нс с увеличением массовой доли воды в расчётной ячейке. Для ОГ с неравномерным окислением (кластеризованное расположение кислородных групп) коэффициент диффузии лежит в диапазоне 100-140 А^2/нс и наоборот достигает максимальных значений при минимальном заполнении материала водой. 2) Показано, что в ОГ с неравномерным окислением транспорт воды особенно активен вдоль интерфейса между окисленными и не окисленными областями. Диффузия молекул демонстрирует «прыжки» вдоль этого интерфейса на дистанции 1-2 нм с длительными паузами между прыжками, что напоминает времяпролетных механизм диффузии. Диффузия вдоль этих интерфейсов практически не зависит от уровня окисления или межслоевого расстояния, но требует определенной степени неоднородности в распределении кислородных групп. Диффузия вдоль таких интерфейсов представляет собой ранее не описанный механизм, который может дать правдоподобное объяснение высокой подвижности воды, наблюдаемой в ОГ и подчеркивает важность учета наноструктуры ОГ при его моделировании.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные данные о механизмах диффузии воды в оксиде графена будут использованы для оптимизации процессов производства высокоэффективных мембран для очистки воды на основе оксида графена. Экспериментальные коллективы Дарьи Андреевой (Department of Materials Science and Engineering, NUS, Сингапур) и Станислава Евлашина (Center for Materials Technologies, Сколтех), выступившие соавторами в публикациях по данному проекту, занимаются задачами производства таких мембран.