Модель с применение методов работы больших данных, позволяющая предсказывать фотокаталитические свойства нанолистов оксида цинка, разработана учеными Санкт-Петербургского университета, сообщает пресс-служба вуза 28 июня на официальном интернет-портале.

Нанолисты оксида цинка — это наноструктурированный материал, состоящий из частиц в форме тонких листов. Проведенное петербургскими химиками исследование позволит решить вопрос безотходной утилизации красителей, широко используемых в лакокрасочной и текстильной промышленности, а также ряд других задач.

Разработка новых материалов, позволяющих уменьшить вредные выбросы в биосферу и снизить загрязнение окружающей среды, является важной задачей современной науки. Отмечается, сложность и трудозатратность разработки материалов, поскольку этот процесс включает в себя несколько этапов, каждый из которых требует много времени и не всегда может привести к желаемому результату.

Сначала необходимо синтезировать материал, потом — изучить его свойства, а затем требуется провести апробацию, чтобы выяснить, справляется ли созданный материал с поставленной задачей. Процесс разработки можно упростить и ускорить, если появится возможность еще до синтеза веществ понять, свойства какого именно материала будут наиболее эффективно способствовать решению той или иной задачи.

В ходе своей работы исследователи Санкт-Петербургского государственного университета разработали модель, позволяющую предсказывать фотокаталитические свойства нанолистов оксида цинка. Данная модель открывает широкие перспективы разработки наноматериалов с заданными свойствами. В частности, разработанные таким образом материалы можно использовать для очистки сточных вод от красителей.

Химики использовали нанолисты оксида цинка в качестве фотокатализатора (материала, способного разлагать органические красители под действием света). нанолисты оксида цинка нетоксичны и доступны для получения. По сравнению с привычным «бруском» какого-либо материала наноразмерные частицы обладают несравнимо большей площадью поверхности, что приводит к более быстрому и эффективному разложению красителя. Как отмечают ученые, именно переход в наномасштаб открывает уникальные свойства многих веществ, в том числе — за счет дефектов структуры.

«Представьте себе собранный кубик Рубика с правильно расположенными цветами. А теперь представьте, что в нем не только перепутаны цвета, но и отсутствуют некоторые детали. Казалось бы, что может быть хуже, но как ни парадоксально это звучит — именно эти „неидеальности“ объясняют многие интересные свойства полупроводниковых наноматериалов», — сообщил лаборант-исследователь кафедры общей и неорганической химии СПбГУ Дмитрий Ткаченко.

Сначала петербургские химики получили нанолисты оксида цинка и описали их свойства. Затем был рассмотрен процесс разложения красителя на молекулярном уровне и разработана модель для предсказания эффективности фотокатализатора.

Как пояснила руководитель группы синтеза и исследования наночастиц и наноструктурированных материалов, доцент кафедры общей и неорганической химии СПбГУ Ольга Осмоловская, химики смогли найти способ регулирования количества дефектов в нанолистах и применить оригинальный подход для их определения. В результате был получен набор параметров, которые описывают структуру и свойства нанолистов оксида цинка.

Автор вычислительной части исследования, доцент кафедры физической химии СПбГУ Михаил Вознесенский отметил, что для проведения эксперимента в лабораторных условиях нужен определенный уровень оснащенности и навыков, тогда как использование компьютерного моделирования не требует наличия специального и дорогостоящего оборудования. По словам специалиста, компьютерное моделирование, к тому же, обладает гораздо большими возможностями и гибкостью.

С помощью компьютерного моделирования ученые смогли отобрать из всего набора параметров те, что оказывают наибольшее влияние на активность фотокатализатора. В итоге была разработана модель для предсказания эффективности разложения красителей в присутствии нанолистов оксида цинка.

«С ее помощью любой ученый, не проводя эксперимент, сможет узнать, насколько будет эффективен фотокатализатор с теми или иными параметрами. Это, в свою очередь, открывает совершенно новые возможности в разработке наноматериалов с заданными свойствами», — пояснил профессор кафедры аналитической химии СПбГУ, автор хемометрической части исследования Дмитрий Кирсанов.

Междисциплинарное исследование объединило в себе методы неорганической, вычислительной, аналитической химии и материаловедения. Оно проводилось на оборудовании Научного парка СПбГУ. Результаты работы опубликованы в научном журнале Applied Surface Science.