Хімік Віктор Авдєєв про графітової матриці, сверхсжатого стані металів і інтеркаляції природного вермикуліту.
Як проходить впровадження в графітову матрицю різних речовин? Як отримують сверхсжатого стан металу? Чим цікава реакція інтеркаляції в природному вермикуліті? На ці та інші запитання відповідає доктор хімічних наук Віктор Авдєєв. **
.[Intro]
Процес інтеркаляції вивчався насамперед на прикладі графіту, тому що виявилося, що це найзручніша матриця - стабільна, легко розщеплюється, і впровадження в інтеркалірованних графіт протікає, напевно, найбільш зручним чином. Хоча я повинен сказати, що коли говорять про інтеркаляції, то, звичайно, розглядають шаруваті матриці, і тут можна згадати вермикуліт або природну слюду, яку ми всі добре знаємо, чи ж гексагональний нітрид бору, або ж дисульфид титану - це теж шаруваті матриці, в яких йде реакція інтеркаляції і впровадження.
Якщо говорити про графіті, то інтеркаліруют або впроваджують в графітову матрицю сотні речовин. Перш за все, це все лужні метали - від літію до цезію, це лужноземельні метали, хлориди, інтергалоіди, кислоти - практично весь ряд неорганічних і органічних кислот, це хлориди. Часто проводять ще реакції коінтеркалірованія.
Інтеркаляції можна проводити керованим чином. Наприклад, якщо ми впроваджуємо в кожну щілину між графітовими сітками, то утворюються сполуки впровадження першого ступеня, якщо в кожну другу, то другого ступеня, в кожну третю щілину - третьої і так далі.
В останні десятиліття навчилися впроваджувати, наприклад, один шар - літій, інший шар - калій, причому керовано, або, наприклад, в одному шарі можуть бути: графітова сітка, калій, ртуть, калій, ртуть, калій, - тобто це п'ятишарова або тришарова упаковки. Взагалі це унікальна архітектура.
Іноді поєднують лужні метали і хлориди, або лужні метали і перехідні метали, або ж, наприклад, хлориди і інтергалоіди - тут комбінація дуже широка. Одне з речовин, яке ми вивчали, - це система «графіт - йод - хлор», і тут можна в дуже широких діапазонах змінювати співвідношення між впроваджуються елементами.
Чим цікаво інтеркаляції? Перш за все, його широко застосовують в електрохімії - це система з літієм, практично 1000 патентів щороку в світі отримують, тільки вивчаючи хімічні джерела струму на основі систем «вуглець - літій» або включаючи ці системи. Інтеркаляції - це і способи отримання нових терморасширенного графита. Інтеркаляції - це і спосіб змінити структуру графітових сіток. Наприклад, літій - один з небагатьох елементів, який відносно вуглецю або графітової сітки може не тільки впроваджуватися між сітками, а й, будучи вже впровадженим при відносно невисоких температурах, трохи більше 400 градусів, може взаємодіяти з графітової сіткою, утворюючи карбіди. І таким чином можна видаляти кожен шостий, кожен четвертий атом вуглецю і управляти дефектностью графітової сітки.
Аналогічний, але більш технологічний спосіб - коли впроваджуються кислоти або оксиди. Тут можна утворювати спочатку сполуки впровадження і потім вже інший тип зв'язку, ковалентний зв'язок, наприклад «вуглець - кисень». Це призводить до того, що плоска сітка, sp 2-гібридизація переходить в вигнуту спеціальним чином, і хімічний зв'язок вже вуглецю переходить в sp 3-гібридизація. Це так звана окис графіту, цей метод широко використовують для отримання графена. Тобто спочатку утворюють окис графіту, розщеплюють графіт таким чином, потім відновлюють той чи інший спосіб саму сітку і отримують розчинні сполуки.
Ще один агент, який широко використовують, - це фтор. При взаємодії фтору з графітової сіткою теж відбувається хімічна взаємодія, можуть утворюватися сполуки CF або ж C2 F, де реакція проходить не до кінця.
У кубічному сантиметрі такого з'єднання, незважаючи на те що атомна концентрація становить лише третину, ядер літію на 20% більше, ніж в чистому літії.
Цей ефект або це явище, ці матеріали можуть застосовуватися в хімічні джерела струму.
Найбільш дивовижний результат ми отримали, коли впроваджували цезій. Фактично при реакціях впровадження товщина графітової сітки залишається незмінна - як вона була 35 ангстрем, так і залишається, тільки розсується, збільшується відстань між графітовими сітками. Якщо говорити про збільшення відстаней, то це від 3,7 ангстрема до 15 ангстрем в залежності від того, що впроваджується.
Впроваджуючи цезій, можна отримати з'єднання C4 Cs, і ми його отримали під високим тиском. І виявилося, що ядер цезію в кубічному сантиметрі такого з'єднання в два з половиною рази більше, ніж в чистому металевому цезіі при тих же умовах. Ми це явище назвали сверхсжатого стан металів, це явище спостерігається при тисках 1-2 тисячі атмосфер, а обсяг, яку він обіймав металами в графітової сітці, приблизно такий же, як при сотнях тисяч або навіть в разі літію мільйонах атмосфер або мільйонах бар.
Вивчаючи разом з фізиками реакції впровадження і властивості цих матеріалів, ми вперше виявили і явище надпровідності. Потім, правда, коли вже була відкрита ВТНП, ці результати були не такими яскравими. Але важливо, що двовимірна надпровідність була передбачена в теоретичних роботах Літтлом і Гінзбургом. Фактично нам це вдалося підтвердити.
Цікаве застосування досвіду, який ми накопичили, - це інтеркаляції або вивчення реакції інтеркаляції в природному вермикуліті. Це шарувата оксидная структура, і так склалося, що в матриці міститься вода, при нагріванні приблизно до 900-1000 градусів вода переходить в газоподібний стан і розсовує сітки і шари, і виходить пеновермікуліт.
Спираючись на досвід, який отримали при вивченні реакції графіту, група дослідників під керівництвом професора Годунова навчилася так хімічно обробляти природний вермикуліт, що крім природного, води, можна впроваджувати ще деякі речовини. Це дозволило збільшити ступінь спінювання в 3-5 разів, і це зараз знайшло широке застосування в промисловості при створенні вогнезахисних і теплозахисних матеріалів.
Зараз в співдружності з «Газпром енергохолдингом» будується завод, заснований на нових технологіях спінювання вермикуліту, десь на 7000 тонн, - це матеріали, які будуть уже широко застосовуватися в українській промисловості, це оригінальна розробка.
Будь ласка, оцініть цю статтю: