南乌拉尔国立大学的研究人员合成了一种新型层级结构材料，该材料显著提高了塑料的热稳定性，并展现出作为电化学传感器的高灵敏度。这一发现不仅具有实际的工业价值，也揭示了此前未知的自然规律的可能性。
该研究成果发表在《聚合物》（Polymers）期刊上，该期刊在Web of Science和Scopus数据库中均位列Q1。
科学家们表示，长期以来被视为教条的经典结晶理论认为，所有物质都倾向于转化为稳定的晶体形式。然而，随着20世纪后期碳纳米管的出现，这一理论开始动摇。起初，人们认为纳米材料是一种偶然现象，一种例外，仅存在于碳材料中。但近几十年来，科学家们已经学会了如何制造一整类经典上“禁忌”的结构——纳米片、纳米线、纳米点以及其他具有独特性能的纳米材料，这些材料不仅基于碳，还基于过渡金属的氧化物甚至盐。
“这种情况可以比作罗巴切夫斯基几何或相对论的出现，”南乌拉尔国立大学纳米技术研究中心主任维亚切斯拉夫·阿夫金解释道，“它们并没有推翻欧几里得和牛顿的理论，但却极大地拓展了我们的视野。如今，材料科学领域也正在发生着同样的事情。按照旧规则，纳米材料不应该存在，但它们确实存在。”
南乌拉尔国立大学研发的这种新型材料正是这种“不可能”结构的杰出例证。它的结构不同于传统结晶过程中形成的结构，这赋予了它更高的热稳定性和电化学敏感性。科学家强调，如果按照经典的工艺流程，最终得到的晶体虽然稳定，但功能上毫无用处。
“什么是碳纳米管？想象一下普通的石墨。它由碳原子构成的六边形层层堆叠而成。一层，再一层，如此往复。每一层如果分开来看，就称为石墨烯。它是一种极其薄的材料，只有单分子层厚。然而，单层石墨烯的面积却可以达到相当大的数值——几十平方纳米甚至更大，”维亚切斯拉夫·阿夫金解释道。“现在想象一下，将这层石墨烯卷成圆柱形，最终形成一个圆管——你就得到了碳纳米管。这种结构是相对较近才被发现的：最初，研究人员获得了像俄罗斯套娃一样层层嵌套的多层碳纳米管。在电子显微镜下，这些圆柱体的完美形状清晰可见，与纤维和其他细长形状截然不同。”
有趣的是，这种纳米管的形成是自然发生的：当物质在特定条件下经受各种处理时，细长的碳纳米管便会自发生长。随后，类似的方法使得利用其他元素合成类似的纳米结构成为可能。南乌拉尔国立大学的化学家们利用种类繁多的材料，例如氧化物、难溶盐、磷酸盐等等，制备出了各种形状、稳定性和强度的纳米管、纳米片和纳米点。
当尺寸小于一百纳米时，粒子的行为与单个分子或原子截然不同：它们失去了独立存在的能力。它们被迫相互作用，形成团簇或吸附在较大物体的表面。正是这种表面层的高活性赋予了这些材料独特的性质。
如今，南乌拉尔国立大学研发的许多纳米材料已被应用于前沿领域，例如作为高效催化剂、吸附剂和电化学传感器。然而，这些材料往往几乎是偶然获得，通过反复试验，缺乏对基本原理的深刻理解。
“我们即将建立一套全新的材料形成理论，这将彻底改变科技，”维亚切斯拉夫·阿夫金说道。“我们目前的处境让人想起炼金术士的时代，他们不了解化学定律却取得了巨大的成就。一旦我们掌握了纳米尺度下结构化的新规律，就能实现对具有预定且出乎意料特性的材料的定向合成。”
生态与化学工程系和纳米技术研究教育中心（如图所示）的最新研究成果之一是磷酸钛，它具有从纳米颗粒到微米级球体的层级结构（作者：研究生安东·阿布拉米扬，导师：化学博士奥列格·博尔沙科夫）
具体来说，这种材料可用于改性聚氯乙烯（PVC），聚氯乙烯是世界上最常见的塑料之一。它的应用将使电线绝缘性能更佳、耐热性更强，并能改善日常生活和科技领域中许多其他设备的性能。