Рост двумерных дендритных структур на основе меди

Получены плоские двумерные дендритные структуры на основе меди посредством самосборки за счет химической реакции замещения металлов. Поверхность дендритов исследовали с помощью цифрового USB-микроскопа. Произведена оценка расстояния между осями второго порядка дендритных структур.

Ключевые слова: дендриты, самосборка, химическая реакция замещения.

Дендритное строение [1, 2] металлов обладает рядом уникальных свойств: высокая прочность и твердость; стойкость к механическим нагрузкам за счет «жесткого скелета»; хорошие электропроводные свойства; низкая плотность, что делают его легким и удобным для использования в авиационной промышленности; хорошая коррозионная стойкость, обеспечивающая эффективную защиту от окружающей среды и продолжительное срок службы. Дендриты (сложнокристаллические образования древовидной ветвящейся структуры, похожие на снежинки или на ледяные узоры) могут быть использованы для разработки наночастиц для создания новых материалов и компонентов в электронике; а также могут быть использованы в медицинских областях, включая имплантологию и создание медицинского оборудования.

В работе были получены красновато-рыжие дендриты [1, 2] в условиях самосборки [3, 4] с использованием водного раствора сульфата меди и пластин цинка, размещенных в чашечке Петри на фильтровальной бумаге (обладающей повышенной волокнистостью и позволяющей задерживать частицы). Показано, что в течение часа образуются зародыши меди на поверхности цинковой пластины, которые со временем организуются в более крупные образования, а затем за несколько дней появляются металлические древовидные образования с пышной кроной (рис. 1, ширина изображения 3 мм).Рост древовидных структур происходил за счет реакции замещения металлов. Цинк — более активный металл (в ряду электрохимической активности), чем медь, поэтому при взаимодействии цинк медленно вытесняет медь из водного раствора сульфата меди, так что образуется сульфат цинка и выпадает медь в виде дендритных структур.

Показано, что при многократном открытии чашечки Петри медь может медленно реагировать с атмосферным кислородом. Выявлена последовательность изменения оттенков дендритов в процессе патинирования (окисления) меди: красновато-рыжий оттенок (медь); коричнево черный (оксид меди, куприт); матово-черный (оксид меди, тенорит); голубовато-зеленый (карбонат меди, патина) (рис. 2, ширина изображения 3 мм). Показано, что форма дендритов очень чувствительна к состоянию поверхности. Установлено, что в качестве линий роста дендритов могут выступать дефекты поверхности. Для создания дефектов в работе использовали самоклеящиеся липучки под фильтровальной бумагой (линии роста обозначены желтыми пунктирными линиями на рис. 3 слева, ширина изображения 36 мм). Показана возможность создания выростов на поверхности дендтрита — дендритных шипиков, имеющих тонкую дендритную шейку, оканчивающуюся шарообразной дендритной головкой (рис. 3 справа, ширина изображения 3 мм).

Рис. 2. Процесс патинирования

Рис. 3. Направленный рост и образование дендритных шипиков

Модель роста полученных плоских двумерных дендритов соответствует модели дендрита с симметрично-расположенными боковыми ветвями на каждой его оси (рис. 4), созданная с помощью шариков-липучек из мягкой пластмассы. На осях первого порядка появляются и начинают расти ветви второго порядка, от которых ответвляются оси третьего порядка. В последнюю очередь идет кристаллизация в участках между осями дендрита. С помощью цифрового USB микроскопа и специальной калибровочной линейки выявлено, что расстояние между осями второго порядка дендритов составляет 80–200 мкм. Нужно отметить, что расстоянием между осями (т. е. формой дендрита) можно управлять с помощью изменения условий роста в процессе самосборки.

Рис. 4. Модель дендрита

Работа выполнена по направлениям «Проектная деятельность» и «Микро- и наноэлектроника» в рамках создания и функционирования центра цифрового образования детей «ИнфинITи» (на базе ГБОУ СОШ № 435 Курортного района Санкт-Петербурга), созданного Комитетом по образованию Санкт-Петербурга в рамках регионального и федерального проектов «Цифровая образовательная среда» национального проекта «Образование».

Литература:

1. Сидоров А. И., Безруков П. А. Нащекин А. В., Никоноров Н. В. Фрактальные микро- и нанодендриты из серебра, меди и их соединений для фотокаталитического разложения воды. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2023. Т. 23, № 3. С. 465.
2. Рыжикова Ю. В., Рыжиков С. Б. Фрактальные свойства самоорганизующихся дендритных структур // Ученые записки физического факультета московского университета. 2018. № 5, с. 1850401.
3. Третьяков Ю. Д. Дендриты, фракталы и материалы. Соросовский образовательный журнал. 1998. № 11, с. 96–102.
4. Sui R., Charpentier P. A., Marriott R. A. Metal Oxide-Related Dendritic Structures: Self-Assembly and Applications for Sensor, Catalysis, Energy Conversion and Beyond. Nanomaterials (Basel). 2021. 11(7), р. 1686.