В течение XX-XXI века физики и философы продолжают искать универсальный признак, отличающий живую материю от неживой. Этот признак, вероятно, помог бы сузить круг поисков внеземной жизни и упростил создание искусственной. Одним из наиболее перспективных свойств такого рода кажется метаболизм, то есть обмен веществ между организмом и окружающей средой, в результате чего отработанная энергия выделяется в окружающую среду в виде тепла, а энтропия всей системы возрастает. На Хабре недавно появилась отличная статья «Теория хаоса, синергетика, неравновесная термодинамика – науки о сложных адаптивных системах» от уважаемого @dionisdimetor, затрагивающая круг этих взаимосвязанных вопросов. Тем интереснее, что около 10 лет назад удалось получить кристаллы, которые в присутствии катализатора демонстрируют процесс, очень похожий на дыхание: они забирают из атмосферы газообразный кислород и могут его запасать. Такой «обмен веществ» не является «метаболизмом», поскольку он полностью обратим, но открывает удивительные технологические возможности, о которых мы поговорим под катом.
Эта история с участием кобальта начинается в 2014 году, когда учёные с факультета химии, физики и фармацевтики из Университета Южной Дании (SDU) под руководством Кристины Маккензи получили кристаллическое вещество, способное впитывать в больших количествах кислород из окружающей среды и подолгу удерживать его, а отдавать — только под действием катализатора.
Способность поглощать кислород и взаимодействовать с ним сама по себе неудивительна. Как известно, именно по принципу временного окисления для переноса кислорода к органам и тканям при циркуляции крови работает молекула гемоглобина и других подобных соединений. Тёмно-красный гемоглобин, окрашивающий венозную кровь, после соединения с кислородом превращается в ярко-алый оксигемоглобин. Эта реакция может происходить раз за разом, пока эритроцит не выходит из строя. Эритроцит человека живёт около 120 дней.
Вещество, полученное датчанами, также реагирует с кислородом обратимо. Этот кристалл, похожий на искусственный аналог гемоглобина, представляет собой несколько вариантов дикобальтных комплексов, где в качестве металлической основы выступает не железо, а кобальт. Вот его структурная формула и химические формулы полученных изомеров:
Процесс, позволяющий этому кристаллу захватывать кислород, хорошо изучен и называется «селективная хемисорбция». Вещество можно использовать в качестве кислородного сенсора и связующего агента, захватывающего кислород. Кобальт придаёт молекуле примерно такую же форму, какую придают железо в гемоглобине или медь в гемоцианине — аналогичном гемоглобину голубом пигменте, содержащемся в крови осьминогов. Структурная схожесть этого комплекса и гемоглобина была выяснена методом рентгеновской кристаллографии. Но соединение, полученное датчанами, эффективно всасывает кислород не только из жидкости, но и прямо в атмосфере. Около 10 л вещества может впитать весь кислород из комнаты среднего размера, причём концентрация кислорода в кристалле будет примерно в 160 раз выше, чем в атмосфере. Правда, процесс идёт медленно, кристалл насыщается в течение нескольких часов, хотя содержание кислорода в нём повышается уже спустя несколько минут. Материал отдаёт кислород при нагревании или при резком понижении давления. Изомеры, показанные выше, отличаются по активности всасывания кислорода. Маккензи и её группа полагали, что полученное ими кобальтовое соединение может использоваться в качестве компактной кислородной подушки или добавляться в кислородные баллоны для водолазов и дайверов, повышая запас кислорода в них.
Строго говоря, это не первый образец металлического оксида, позволяющий вот так управлять кислородом — но первый, действующий при комнатной температуре и относительно устойчивый. Ранее, в начале XXI века, такое поведение было известно у твердотельных оксидных топливных элементов (SOFC), топливных элементов с протоннообменной мембраной (PEMFC) и фосфорно-кислотных топливных элементах. Эти вещества накапливают кислород, а затем при нагревании выпускают его в электролит. Эти процессы идут только при довольно высоких температурах — от 600 до 1000 ℃. Притом, что вещество от группы Маккензи получилось гораздо более «бионическим», ему также недостаёт автономности. Например, можно контролируемо (медленно) повысить температуру в ёмкости, чтобы добавить кислорода в воздух внутри подводной лодки, но эти процессы хрупкие и требуют подготовки. Подобные вещества следующего поколения впитывают кислород «по умолчанию», а отдают в присутствии катализатора. Статья о стабильном соединении такого рода была опубликована только в августе 2025 года. Группа японских и корейских учёных из университетов Пусана и Хоккайдо под руководством Хён Джин Джина и Хиромити Оота получили «дышащий» кристалл, который периодически впитывает, а затем испускает накопленный кислород. Этот материал представляет собой сложный оксид, содержащий атомы (всё того же) кобальта, железа и стронция, но окисляется лишь кобальт, а остальные металлы опосредуют процесс.
Слева и справа показаны две пластины, причём слева кристалл насыщен кислородом, а справа — беден кислородом. Разница в их химических формулах минимальна: соответственно, Fe0,5Co0,5O2,5 и SrFe0,5Co0,5O2,25. Обратите внимание на индекс кислорода. Оба кристалла стабильны, но постепенно превращаются друг в друга, не достигая термодинамического равновесия.
Такое вещество может найти применение при производстве умных окон с функцией солнечных батарей, о которых я ранее писал на Хабре в статье «Прозрачные солнечные панели», при разработке топливных элементов и умных термостатов. Вот как Хён Джин Джин визуализирует молекулярную структуру кристалла.
Лишний раз подчеркну, что этот материал — лишь первый опытный образец, и в дальнейшем могут быть найдены более эффективные сложные оксиды со схожими свойствами. Но он открывает путь к созданию совершенно новых устройств, например, таких окон, которые сами регулируют собственную проницаемость в зависимости от времени суток и температуры воздуха. Можно представить себе термотранзисторы, которые будут переключаться или блокироваться при достижении пороговой температуры. Топливные элементы с содержанием SrFe₀,₅Co₀,₅O₂,₅ должны получаться долговечнее современных аналогов, так как чем ниже эксплуатационная температура, тем медленнее они изнашиваются.
Авторы статьи признают, что вещество было получено чисто экспериментально, когда в одном и том же растворе наблюдали окисление ионов кобальта и железа. Материал получили хорошо известным методом для послойного приготовления многоэлементных оксидов, который называется «эпитаксиальный синтез» и выполняется с применением лазерных импульсов. Ионы кобальта и железа случайно и равномерно распределены в кристалле, и именно это свойство является ключевым, обеспечивающим «дышащие» свойства. Кобальт активнее железа приобретает и теряет электроны, а железо катализирует работу кобальта.
Учёные испытывали материал продуванием в атмосферах с различным содержанием кислорода и продемонстрировали, что поглощение кислорода этим материалом — полностью обратимый процесс. То есть кристалл никогда не окисляется целиком, а после отдачи кислорода переходит из одной стабильной формы в другую. Интересно было бы посмотреть, до какой степени можно понизить температуру этого процесса и кислородную ёмкость самого кристалла. Будем за этим наблюдать.
Источник: habr.com
