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 .

Химический состав и свойства микрообъектов, таких как наночастицы, могут принципиально отличаться от макрообъектов (кристаллов, стекол). 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.