ИФХЭ РАН

Работа посвящена созданию ультратонких гибридных покрытий на основе оксида графена и органического полимера полидиацетилена методом самосборки. «Самосборка – это очень мощный инструмент для ученых-химиков, потому что экспериментатору практически ничего не нужно делать. Молекулы сами собираются в сложную организованную структуру, – рассказывает Елизавета Гусарова. – Задача ученых – придумать, как заставить компоненты собираться в наноструктуру, обладающую теми свойствами, которые нужны нам».

Исследователи выяснили, что объединение оксида графена с полидиацетиленом в ходе самосборки приводит к «залечиванию» дефектов в слое оксида графена благодаря перекрыванию полимером пустых мест между листами. Это привело к резкому (почти в миллион раз) увеличению электропроводимости покрытия. Также учёные успешно интегрировали полученные гибридные материалы в органические солнечные ячейки, тем самым создав элемент с экстремально тонким активным слоем (толщиной не более 10 нм).

У солнечных элементов, использующих ультратонкие фотоактивные слои из органических молекул, имеется целый ряд преимуществ, благодаря чему они могут стать наилучшим решением для солнечной энергетики.

Во-первых, многие органические соединения легко утилизируются – их можно сжечь, получив на выходе водяной пар и углекислый газ. Это отличает их от тех же галогенплюмбатных перовскитов, содержащих токсичный свинец.

Во-вторых, ультратонкие гибридные слои такого типа не разрушаются под действием солнечного света и, как следствие, элементы на их основе характеризуются длительным сроком службы.

В-третьих, экстремально малая толщина таких гибридных покрытий позволяет создавать тонкие и прозрачные солнечные ячейки. Прозрачность гибридного материала, полученного в ИФХЭ РАН, составляет более 85%. Такие солнечные элементы можно интегрировать в окна домов или теплиц. Часть света будет поглощаться элементом и преобразовываться в электрический ток, а большая часть – проходить внутрь комнаты или теплицы.

В-четвертых, новые солнечные элементы могут быть сформированы на гибких полимерных подложках; тогда удастся сократить площадь, которая требуется элементам для эффективной работы. Например, на крыше дома можно будет поставить множество сложенных в трубочки солнечных элементов. Их эффективная площадь будет значительно больше, чем для плоских; они будут производить больше электроэнергии.

«Главная проблема перехода к солнечной энергетике в том, что производительность солнечных элементов сравнительно мала: даже для самых современных солнечных элементов она не превышает 47%. Поэтому, чтобы произвести нужное количество энергии, нужно установить много конструкций. Так можно прийти к тому, что огромные площади на Земле планеты будут заставлены солнечными панелями, – объясняет Елизавета Гусарова. – Гибкие элементы, которые вписываются в городскую среду, являются ключом к решению этой проблемы».

Предложенный в лаборатории биоэлектрохимии метод к получению ультратонких гибридных материалов является универсальным: методом самосборки на межфазной границе можно создавать тонкие пленки на основе оксида графена и различных органических молекул, не ограничиваясь одним только полидиацетиленом.

Меняя органические молекулы, у нас появляется возможность тонко настраивать свойства конечных покрытий и устройств на их основе. Сочетая несколько органических слоёв в одном материале, можно добиться поглощения большого диапазона солнечного света, что увеличит эффективность солнечного элемента. С другой стороны, используя разные органические соединения в гибридных материалах, можно создавать и другие электронные устройства – нелинейные резисторы, конденсаторы и т. д.

Уникальность предложенного подхода в том, что на межфазной границе происходит стабилизация органических молекул на оксиде графена. Многие научные группы отмечали, что тонкая плёнка данного полидиацетилена нестабильна, и при нагревании, облучении ультрафиолетом или с течением времени полимер переходит в разупорядоченную «красную» форму.

В данном случае упорядоченность полимера сохраняется, потому что происходит взаимная стабилизация двух компонентов. «Это мы и называем гибридным материалом – компоненты стабилизируют друг друга, – подчеркивает Елизавета Гусарова. – У них возникает «творческий симбиоз».

Рассказывает Елизавета Гусарова: «В нашем методе используется гидрозоль – нанолисты оксида графена, растворённые в воде. В него мы погружаем стеклянную или кремниевую подложку, а сверху наслаиваем очень тонкий раствор пентакозодииновой кислоты в гексане. Пентакозодииновая кислота является поверхностно-активным веществом. Когда гексан испаряется, образуется плотно упакованный слой этого поверхностно-активного вещества на границе раздела воздух/вода. Оксид графена также является слабым поверхностно-активным веществом и способен к адсорбции на межфазных границах. Таким образом, на межфазной границе формируется упорядоченный слой диацетилена и оксида графена. Из-за особенностей синтеза оксида графена большинство его функциональных групп находятся по краям нанолистов. Между функциональными группами оксида графена и диацетилена образуются водородные связи. Соответственно, диацетилен адсорбируется по краям листов оксида графена, и система стабилизируется. После этого мы вынимаем подложку с низкой скорости и облучаем УФ светом для полимеризации органических молекул. При формировании плёнки тонкие слои органического вещества перекрывают пустоты между листами оксида графена. Дырки между листами оксида графена сильно снижали проводящие свойства. Когда дефекты «залечиваются», проводимость резко возрастает».

Исследования заняли целый год.

Елизавета Гусарова: «Мой научный руководитель, профессор Мария Александровна Калинина, предложила мне собрать тонкую электропроводящую плёнку на основе оксида графена и полидиацетилена. Мы подозревали, что полимер может помочь нам уменьшить дефекты в слое оксида графена и увеличить электрическую проводимость. О том, что такой материал может быть использован в солнечной энергетике, мы тогда могли только догадываться. Сначала я работала с методом Ленгмюра-Блоджетт. Это достаточно сложный метод, который обладает многими ограничениями. При формировании монослоёв очень часто что-то может пойти не так. Даже незначительное изменение температуры в комнате приводило к тому, что эксперимент не получался. В какой-то момент я решила попробовать сделать самосборку компонентов на межфазной границе в обычном стеклянном стакане. Конечно, я потратила около месяца на оптимизацию метода, но в результате мне удалось создать простую экспериментальную методику получения гибридных покрытий. Более того, качество таких покрытий существенно превышает качество пленок, полученных методом Ленгмюра-Блоджетт, так как в нашем методе межфазная граница является неподвижной. Сейчас я развиваю эту работу, используя в гибридных материалах более эффективные органические хромофоры. На все эксперименты у меня ушёл примерно год. Я студент и часто посещаю занятия в университете, поэтому я не могу с утра до вечера находиться в лаборатории. Если бы я была научным сотрудником, думаю, я бы выполнила эксперименты быстрее».

На заочный тур конкурса «Наука будущего – наука молодых» было подано около 3000 заявок. Экспертная комиссия отобрала 300 человек, которые приехали в Новосибирский государственный технологический университет представить свои работы. На первом этапе участники представляли свои работы в виде постера, сопровождая их кратким докладом. По результатам постерной сессии для выступления с полноценными научными докладами были отобраны 6 студентов и 6 аспирантов. Затем экспертная комиссия выбирала победителей.

Елизавета Гусарова: «Конкурс был очень динамичным, расслабляться было нельзя. Мы до последнего момента не знали, кто же вышел в финал. Всё было очень неожиданно. Когда объявили, что я успешно представила постер и буду выступать с устным докладом, времени на подготовку не было вообще. Буквально через минуту я уже стояла у экрана и открывала первый слайд презентации. Ко второму курсу магистратуры я накопила большой опыт выступления на конференциях – первый научный доклад я сделала ещё на первом курсе бакалаврита. Это связано как с особенностями Факультета наук о материалов МГУ, так и с положительным примером сотрудников нашей лаборатории. На мой взгляд, основная «фишка» успешного выступления состоит в том, что докладчик уверенно рассказывает о своих научных достижениях, но не заучивает текст доклада как стишок. Это заметно, и это производит хорошее впечатление. Кроме того, если вдруг студент забывает одну строчку, он уже не может быстро придумать, чем ее заменить. Так что, когда меня вызвали на «сцену», я была готова. Я хорошо знала свою работу и была уверена в ее значимости для научного сообщества. При этом для победы в любом конкурсе нужно уметь преподать свои исследования так, чтобы аудитория действительно заинтересовалась. Мало кто знает, что стандартное время привлечение внимания слушателей – две минуты. Именно за две минуты каждый человек из зала решает, будет ли он слушать лектора, или же «залипнет» в телефоне до конца доклада. Сделать интересный доклад очень непросто, и мне еще есть куда развиваться в этом направлении. Хочу отметить, что все 12 работ-финалистов, 6 студенческих и 6 аспирантских, были очень сильными. Я рада, что смогла познакомиться с талантливыми ребятами и узнать много нового на этом форуме».