30 марта 2020, понедельник, 16:28
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

16 марта 2017, 10:53

Гидроксиапатит и солнечный свет

Гидроксиапатит с триплитом из шахты в Виргинии, США
Гидроксиапатит с триплитом из шахты в Виргинии, США

Ученые Института математических проблем биологии РАН объяснили фотокаталитические свойства минерала гидроксиапатита. Материал, который уже широко применяется в медицине, теперь поможет и в борьбе с загрязнением окружающей среды. Кратко о работе сообщает пресс-релиз ИМПБ.

Гидроксиапатит  – минерал из группы апатита, служит основной минеральной составляющей костей. Химическая формула вещества Ca10(PO4)6(OH)2. В медицине синтетический аналог этого минерала уже давно применяется при имплантировании для лучшего приживления тканей. Но, оказалось, это не единственное его полезное свойство. В последнее время была открыта способность гидроксиапатита после термической обработки под воздействием солнечного света становиться фотокаталитически активным и поглощать тяжелые металлы. Это его качество может быть очень полезным для восстановления окружающей среды от загрязнений.  Однако механизм этого процесса до последнего времени был не понятен. Группа ученых под руководством д.ф.-м.н. Владимира Быстрова из Института математических проблем биологии РАН смоделировала и рассчитала процессы, приводящие к фотокаталитической активности материала, таким образом, объяснив данные, полученные в эксперименте. Результат опубликован в журнале Applied Catalysis B: Environmental.

Фотокатализ, то есть прохождение химической реакции под воздействием солнечного света, является одним из способов экологического восстановления, с помощью которого можно разлагать опасные химические вещества в воздухе, воде, почве. В последние годы учеными были исследованы фотокаталитические свойства натуральных и синтетических гидроксиапатитов. В эксперименте обнаружили, что не все формы проявляют активность под воздействием солнечного света.

Группой Быстрова ранее было показано, что на свойства той или иной формы гидроксиапатита влияют дефекты в его кристаллической решетке. При производстве синтетического материала важно обеспечить наличие определенных дефектов в структуре для получения нужных качеств. Поэтому за объяснением наличия или отсутствия фотокаталитических свойств гидроксиапатита экспериментаторы обратились в Группу компьютерного моделирования наноструктур ИМПБ РАН.

 

Модель с дефектами

 

Ученые промоделировали процессы, которые могли происходить при высокотемпературной обработке и дальнейшем облучении солнечным светом различных естественных и синтетических форм гидроксиапатита. При моделировании применялись методы, основанные на теории функционала плотности для периодических кристаллических решеток. С их помощью ученые рассчитали корреляцию различных возможных вакансий кислорода в решетке с изменениями в величине оптической ширины запрещенной зоны (минимальной энергией необходимой электрону для отрыва при облучении солнечным светом). Именно этот процесс, по мнению физиков, делал материал катализатором, «магнитом» для загрязнений. УФ-облучение за счет поглощения энергии фотонов приводит к генерации электронно-дырочных пар, участвующих в каталитических процессах.

Рисунок 1: Шестиугольная элементарная ячейка гидроксиапатита упорядоченной структуры. Желтые шарики – фосфор, красные – кислород, большие серые – кальций, маленькие серые – водород. Все ОН-группы ориентированы в одном направлении. Они расположены на четырех углах элементарной ячейки, но только одна пара в одном углу принадлежит к этой элементарной ячейке, остальные три пары, принадлежат соседним элементарным ячейкам.

Рисунок 2: Схема атомов, выбранных и удаленных для моделирования различных вакансионных дефектов в гексагональной элементарной ячейке гидроксиапатита с 44 атомами. Цветными кружками отмечены: (1) синим – атом кислорода номер 28 из группы ОН для создания вакансии O в ОН-канале; (2) фиолетовым – OH группа (номера атомов 43 и 44) для создания полной ОН вакансии; (3) зеленым – атомы кислорода с номерами 6, 15, 24, 35 из нескольких по-разному расположенных групп РО4, соответствующих вакансиям O в PO4 группах. Зеленые группы на остальных трех углах принадлежат соседним ячейкам периодической структуры.

 

Ученые рассчитали следующие дефекты в кристаллической решетке вещества:

1) удаление атома кислорода из группы ОН;

2) удаление всей группы OH;

3) удаление атома кислорода из группы РО4.

Помимо этих отдельных O или ОН вакансий и их влияния на энергетические и оптические характеристики, был исследован более сложный случай комбинированных вакансий. Было промоделировано и наличие двух видов одновременных вакансий в одной элементарной ячейке: кислорода из группы РО4 и ОН целиком.

 

Фотокатализ нашел свое объяснение

 

Полученные при моделировании величины были сопоставлены с экспериментальными данными. Результаты расчетов оказались очень близкими к измеренным значениям, что подтвердило верность предложенных механизмов.

В необработанном гидроксиапатите все вакансии связаны с атомами кислорода из группы ОН. У них запрещенная зона имеет значение порядка 5 эВ (соответствует коротковолновому ультрафиолетовому диапазону). Солнечное излучение с этой длинной волны поглощается атмосферой и не доходит до поверхности Земли. Описанные каталитические процессы не запускаются и поэтому обычный гидроксиапатит не фотокаталитичен.

При обжиге с температурой 1000° С в гидроксиапатите образуются вакансии кислорода в фосфатных группах. Это дает запрещенную зону порядка 3,45 эВ. Здесь уже достаточно фотонов солнечного света в видимом диапазоне для того, чтобы материал стал фотокаталитически активным.

Результаты моделирования также предсказали, что вакансия только целой группы ОН сама по себе может привести к широкой запрещенной зоне в зеленой и красной видимой области спектра, например, в диапазоне 2,4 -1,6 эВ (свет с длинной волны 521-743 нм). Если экспериментаторам удастся получить такие дефекты в гидроксиапатите, это может привести к созданию нового фотокатализатора видимого света.

Обсудите в соцсетях

«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ Марс Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Титан Юпитер акустика антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера вакцинация викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты кибернетика киты климатология клонирование комары комета кометы компаративистика космос культура культурология лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина металлургия метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы природа психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы путешествие пчелы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность собаки сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство цифровизация школа экология электрохимия эпидемии эпидемиология этология язык Александр Беглов Дмитрий Козак Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса вымирающие виды глобальное потепление грипп защита растений инвазивные виды информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии климатические изменения компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция физическая антропология финансовый рынок черные дыры эволюция эволюция звезд эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PayPal PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: polit@polit.ru
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2020.