Ученые Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета исследуют 3D-материалы на основе углеродных нанотрубок. Они определили, что эти материалы обладают более высокой сенсорной чувствительностью и способны регистрировать изменения концентрации аммиака ниже ПДК. Сегодня, когда концентрация вредных веществ в атмосфере и воде увеличивается, ученые ищут способы сохранения экологического равновесия и многообразия растительного и животного мира на нашей планете.

Углеродные нанотрубки (УНТ) являются важным классом неорганических материалов. Углерод как вещество может иметь несколько типов кристаллических решеток, наиболее известны алмаз и графит. Несколько десятилетий назад были открыты еще несколько типов: фуллерены (атомы углерода составляют кристаллическую решетку в виде сферы), графен (однослойный графит, представляющий собой один плоский лист) и нанотрубки, которые имеют цилиндрическую форму. Углеродные нанотрубки также бывают однослойные, двухслойные и многослойные, отличающиеся числом цилиндрических слоев.

Схематичное изображение 3D-структуры SWCNT, сое...

Схематичное изображение 3D-структуры SWCNT, соединенных органическими молекулами-линкерами.

Значительный исследовательский интерес к углеродным нанотрубкам связан с их уникальными электронными, металлическими и структурными свойствами, которые могут использоваться в новых материалах. Данные свойства можно «регулировать» и «улучшать» путем модификации поверхности УНТ различными допантами (наночастицами металлов, их оксидов, ароматическими соединениями, полимерами и пр.) методами ковалентной и нековалентной функционализации. Ковалентная функционализация состоит в образовании прочной ковалентной связи между молекулами-допантами и атомами углерода нанотрубок, а нековалентная — в простой физической адсорбции различных молекул на поверхность углеродного материала. 3D-материалы на основе нанотрубок изучают менее 10 лет, эта сфера только развивается.

Схематичное изображение 3D-структуры SWCNT, сое...

Схематичное изображение 3D-структуры SWCNT, соединенных органическими молекулами-линкерами

Старший преподаватель кафедры строительной физики и химии СПбГАСУ, к. х. н. Максим Поляков изучает структурные и функциональные свойства 3D-материалов на основе углеродных нанотрубок. Результаты этих научных исследований были обобщены им в статье, опубликованной в «Applied Surface Science». Работа является продолжением его диссертационных исследований, а также является частью поддержанного в 2018 году проекта РФФИ («Мой первый грант») 18-33-00029 «Структурные и функциональные свойства 3D-материалов на основе углеродных нанотрубок».

Схема получения гибридных материалов SWCNT

Схема получения гибридных материалов SWCNT

— 3D-нанотрубки проявляют чувствительность к определенным газам, рассказывает Максим Сергеевич Поляков, — Это заключается в изменении их сопротивления. Ученые пытаются увеличить сенсорный отклик таких нанотрубок, модифицируя их поверхность различными молекулами. Сенсорный отклик — это изменение сопротивления материалов в зависимости от состава, в котором находятся эти нанотрубки. 3D-нанотрубки — это полупроводники, они хорошие адсорбенты и на них адсорбируются молекулы, содержащиеся в атмосфере. Эти молекулы влияют на сопротивление нанотрубок, и это свойство можно использовать. В научном исследовании, о котором рассказывается в опубликованной статье, были получены гибридные материалы с нанотрубками различными методами: ковалентной, нековалентной и 3D-функционализацией. Для всех материалов широко изучены адсорбционно-резистивные свойства в зависимости от концентрации газов, температуры, влажности воздуха. Показано, что при адсорбции малых концентраций аммиака (рис. 2) в пределах ПДК происходит увеличение сопротивления углеродных слоев.

Относительный сенсорный отклик тонких слоев исх...

Относительный сенсорный отклик тонких слоев исходных нанотрубок (SWCNT), нанотрубок, модифицированных азидными группами SWCNT-N3 и их гибридов по отношению к аммиаку при концентарции 10

Практическое использование этих научных разработок заключается не только в использовании 3D-углеродных материалов в качестве сенсорных слоев. Предполагается, что сшивка нанотрубок позволит, во-первых, снизить их агрегацию и увеличить растворимость, а во-вторых, использовать полученные материалы в качестве более емких адсорбентов. По словам Полякова, углерод является хорошим адсорбентом различных газов. Это свойство используется, например, в угольных фильтрах для воды. В нем находятся гранулы углерода, которые поглощают примеси, содержащиеся в воде — соли, ионы металлов. Через какое-то время фильтры перестают выполнять эту функцию, и потребители их заменяют. Получение 3D-углеродных материалов позволит продлить срок службы таких фильтров за счет увеличения удельной поверхности материала, который сможет поглотить больше вредных веществ.