През февруари и април 2025 година едно от най-авторитетните научни списания “Nature” публикува две статии с участие на учени от групата по изчислително моделиране на катализатори и нови материали към катедра „Органична химия и фармакогнозия“ от Факултета по химия и фармация на Софийския университет „Свети Климент Охридски“ с ръководител проф. Георги Вайсилов.
През февруари беше публикувана статията „Two-dimensional polyaniline crystal with metallic out-of-plane conductivity“ от международен екип с участие на проф. Петко Петков и колеги от Германия, Китай и Испания, а през април излезе статията „Transforming ceria into 2D clusters enhances catalytic activity“ с участие на проф. Християн Александров, доц. Искра Колева, проф. Георги Вайсилов и колеги от САЩ. С помощта на изчислителните ресурси в Европейски суперкомпютърни центрове и в София Тех Парк научната група използва съвременните методи на квантовата химия за обясняване на експериментално наблюдаваните явления и процеси, както и за предвиждане на структурата и поведението на каталитични системи и нови материали.
В публикацията за двумерни полианилинови кристали, квантовохимичното моделиране, съпровождащо експерименталните изследвания, показа за пръв път уникалната структура на добре подредени кристали на многослоен двумерен полианилин (2DPANI), изграден от плътно подредени слоеве, свързани чрез хлоридни йони (Cl⁻). Тази структура придава на органичния материал уникални свойства като силна делокализация на електроните, т.е. електроните се движат свободно в материала, подобно на метали, което води до висока електропроводимост както в рамките на слоевете, така и между слоевете от полианилин. Още по-важно е, че преносът на заряд между слоевете от полианилин показва метално поведение, т.е. материалът провежда ток с много ниско съпротивление, което не е наблюдавано при други проводящи полимери според съществуващите в литературата данни. За разлика от традиционните метали, използвани като проводящи материали, органичните проводници са революция в съвременната електроника. Това откритие отваря нови възможности за създаване на 3D органични метали (нов клас материали, които съчетават свойствата на полимерите и металите) с широк спектър на приложения: от областта на фундаменталната физика до иновативните технологии и подобряване на качеството на живот.
Във втората научна статия чрез квантовохимични пресмятания за подходящи моделни системи беше установена реалната причина за драматично повишаване на каталитичната активност на цериев диоксид за очистване от азотен и въглероден оксид в реални каталитични условия. Беше показано, че причината е разпадане на наночастиците от цериев диоксид в присъствие на азотен и въглероден оксиди до двумерни структури върху носителя алуминиев оксид, което съществено подобрява редуцируемостта на катализатора, която определя каталитичната активност. Изводите от квантовохимичното моделиране бяха потвърдени със серия от експериментални методи, осъществени в различни лаборатории в САЩ. Освен това, експерименталните изследвания показаха, че тази каталитична система остава стабилна и активна при агресивни условия, които са характерни за очистване на отпадъчни автомобилни и индустриални газове. Изследването дава основата за разработване на нови типове ефективни каталитични системи с приложение в екологичния и индустриалния катализ с минимално използване на благородни метали.
И двете научни публикации показват, че фундаменталните научни изследвания, осъществени с помощта на съвременни изчислителни методи за моделиране на химични системи, водят до изясняване на конкретни практически проблеми и отварят нови възможности за уникални приложения в реалния живот.
Публикации:
- Tao Zhang, Shu Chen, Petko St. Petkov, Peng Zhang, Haoyuan Qi, Nguyen Ngan Nguyen, Wenjie Zhang, Jiho Yoon, Peining Li, Thomas Brumme, Alexey Alfonsov, Zhongquan Liao, Mike Hambsch, Shunqi Xu, Lars Mester, Vladislav Kataev, Bernd Büchner, Stefan C. B. Mannsfeld, Ehrenfried Zschech, Stuart S. P. Parkin, Ute Kaiser, Thomas Heine, Renhao Dong, Rainer Hillenbrand & Xinliang Feng, “Two-dimensional polyaniline crystal with metallic out-of-plane conductivity”. Nature 638, 411–417 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08387-9 .
- Konstantin Khivantsev, Hien Pham, Mark H. Engelhard, Hristiyan A. Aleksandrov, Libor Kovarik, Mark Bowden, Xiaohong Shari Li, Jinshu Tian, Iskra Z. Koleva, Inhak Song, Wenda Hu, Xinyi Wei, Yipeng Sun, Pascaline Tran, Trent R. Graham, Dong Jiang, David P. Dean, Christian J. Breckner, Jeffrey T. Miller, Georgi N. Vayssilov, János Szanyi, Abhaya Datye & Yong Wang, “Transforming ceria into 2D clusters enhances catalytic activity”. Nature 640, 947–953 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08684-x .