Слушать новости
Размер шрифта
Маленький текст
Средний текст
Большой текст

Новости науки

Разработана модель для предсказания новых металлоорганических структур

Омские ученые разработали модель, которая предсказала образование последовательности «цветочных» металлорганических структур на поверхности твердого тела. Эти структуры — катализаторы важных промышленных процессов, например получения полиэтилена. Подобные системы перспективны в молекулярной электронике и в моделировании ферментативного катализа. Работа выполнена при поддержке Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ) и опубликована в Journal of Physical Chemistry C.

В работе исследуются металлоорганические структуры, формирующиеся на поверхности твердого тела в процессе поглощения органических молекул и атомов металлов. По данным Большой российской энциклопедии, в природе металлорганические структуры встречаются редко, в качестве примера можно привести формы витамина B12, связанного с активностью различных ферментов клетки. Эти вещества используются человеком в качестве лекарственных препаратов и регуляторов процессов горения.

Авторы статьи заинтересовались этой темой, когда узнали о работе американских исследователей, которые в 2011 году наблюдали в микроскоп металлоорганические структуры. Они показались знакомыми российским ученым: подобные образуются в однокомпонентном слое тримезиновой кислоты на поверхности золота. Сотрудники Омского государственного технического университета задумались: возможно ли это и в двухкомпонентной металлоорганической системе и как на это влияет тип координирующего атома металла.

Для ответа они использовали разрабатываемую ими программу SuSMoST для моделирования адсорбционных монослоев – слоев молекул из газовой смеси на поверхности вещества. Была создана модель специально для класса молекул с треугольной симметрией расположения функциональных пиридиновых групп. Именно они способны соединяться друг с другом через атом переходного металла (элементы между s- и р-элементами в таблице Менделеева). Модель описывает самосборку сотовой структуры, ряда цветочных фаз и треугольной структуры.

В исследованиях в качестве поверхности применяли золото Au(111) из-за его относительной химической пассивности, а также переходные металлы (Fe, Ni, Co, Cu) и органическое вещество — 1,3,5-трис (4-пиридил) бензол. В качестве параметра для модели использовалась разница между энергиями двойной и тройной координации — единовременная связь атома металла с двумя или тремя молекулами соответственно. Исследователи изучали такие взаимодействия в адсорбционном слое, контактирующем с поверхностью золота. Для этого применялись методы DFT, Монте-Карло и TRG. Так, с помощью метода расчета электронной структуры заданной системы DFT вычислили энергию координационных связей между молекулой и атомом металла.

«Монте-Карло и TRG — это наиболее мощные методы современной статистической физики. Они дополняют друг друга: Монте-Карло подходит для любых систем, но он приблизительный, а TRG точный, но имеет ограничения по применимости. С помощью этих методов мы рассчитали основные термодинамические характеристики модельных металлоорганических слоев», — поясняет Виталий Горбунов, доцент, старший научный сотрудник кафедры «Химия и химическая технология» Омского государственного технического университета.

С помощью этих методов определялось влияние типа металлического центра на фазовое поведение адсорбционного слоя: от него зависит предпочтительный вид координации молекул. Учитывая значение параметров каждого из переходных металлов, провели статистическое моделирование в той же программе SuSMoST. Так, выяснилось, что атомы меди и серебра имеют тенденцию образовывать двойную координацию, а железо, кобальт и никель — тройную.

Для проведения эксперимента была важна устойчивость к температурам: ученые выяснили, что некоторые из наблюдаемых структур разрушаются с течением времени. Также оказалось, что структуры устойчивых фаз (сотовой, цветочной и треугольной) двухкомпонентного слоя аналогичны структурам фаз в однокомпонентном адсорбционном слое тримезиновой кислоты на поверхности золота.

«Металлоорганические адсорбционные слои потенциально применимы в молекулярной электронике, поскольку обладают уникальными электромагнитными свойствами, также могут служить модельными системами для ферментативного катализа. Наша модель предсказывает образование новых металлоорганических структур в таких системах и может послужить фундаментом для дальнейшего исследования их функциональных свойств. Мы надеемся, что результаты, полученные в нашей работе, стимулируют экспериментальный поиск предсказанных нами структур», — говорит Виталий Горбунов.