Сотрудники физического факультета Южного федерального университета совместно с коллегой из Европейского центра синхротронных исследований (Гренобль, Франция) разработали оригинальный метод отбора углеродных нанотрубок с определенной структурой.

Обычно для коммерческих продуктов используют материалы на основе углеродных нанотрубок (УНТ), в которых тип трубок не играет большой роли, например, для производства ионно-литиевых батарей ноутбуков и мобильных телефонов. Тем не менее, в таких областях, как микроэлектроника, солнечная энергетика и медицина, требуются одностенные нанотрубки с определенными структурами, так как структура одностенных УНТ тесно связана с ее физическими свойствами. Синтезировать нанотрубки сразу с заданными структурами сложно и трудоемко, к тому же, такой подход не позволяет получать большое количество желаемых УНТ. Смесь нанотрубок с разной структурой получить гораздо проще, и в течение последних лет ученые активно разрабатывают технологии их последующей сортировки, подходящие для массового производства продукта с предопределенными параметрами.

Ростовские ученые нашли способ «отлова» углеродных нанотрубок с определенными параметрами и опубликовали в ведущем международном журнале Nanoscale работу, особо важную для развития наноэлектроники.

«Наша идея полезна не только для специалистов в области сортировки нанотрубок. В частности, результаты могут оказаться важными, например, для клеточной биологии с точки зрения взаимодействия сложных органических молекул с клеточными оболочками сложной формы», — комментирует профессор Владимир Дмитриев, почетный доктор ЮФУ и Европейского Центра Синхротронных Исследований (Гренобль, Франция), в котором последние годы он работал начальником одной из линий.

Углеродные нанотрубки (УНТ) состоят из повторяющихся шестиугольников, в углах которых расположены атомы углерода, как и у плоского графена. Графеновую полоску из шестиугольников, или сот, можно замкнуть саму на себя и таким образом образовать нанотрубку. Проблема заключается в том, что сделать это можно очень большим количеством способов, и при их обычном синтезе образуется множество типов нанотрубок с разными диаметрами и структурой стенок.

«Химики несколько лет назад заметили, что некоторые биомолекулы, например, флавины, а также различные полимеры охотнее прилипают только к нанотрубкам с какой-то определенной структурой. Причины этого были неизвестны. Однако такой эффект имеет потенциал для решения задачи высокоэффективной сортировки: органические молекулы осаждаются на поверхность нужных нам нанотрубок, а затем их можно избирательно выловить из смеси, используя прилипшие молекулы как крючок, — рассказывает Сергей Рошаль, доктор физико-математических наук, профессор кафедры нанотехнологии физического факультета Южного федерального университета. — В настоящее время в лабораториях мира ведется масштабный поиск разнообразных молекул, которые осаждаются только на определенных нанотрубках. Однако этот поиск зачастую является полуэмпирическим, то есть без точных критериев отбора, почти интуитивным».

Группа ученых под руководством Сергея Рошаля нашли критерии, по которым можно отбирать молекулы, избирательно взаимодействующие с нанотрубками заданной структуры. Для этого они моделировали процесс осаждения и рассматривали наиболее энергетически выгодные и, следовательно, вероятные положения молекул на поверхности нанотрубок. Оказалось, что то, насколько хорошо органические молекулы осаждаются на поверхности, зависит от степени соответствия строения стенок и покрытия нанотрубки. Причем определяющим фактором в этом соответствии является так называемый вектор хиральности — характеристика, которая однозначно залает структуру одностенной углеродной нанотрубки. Длина вектора хиральности равна ширине графеновой полосы, которую можно замкнуть в нанотрубку, а направление этого вектора зависит от того, как полоса выкроена из листа графена: ровно или по диагонали.

Зная вектор хиральности нанотрубки можно подобрать сложные органические молекулы такого размера, чтобы они специфически взаимодействовали и прилипали только к этой нанотрубке. Обнаруженная зависимость является простым, но строгим критерием образования регулярного покрытия из органических молекул на поверхности УНТ.

«Установленные геометрические принципы универсальны. Их можно применить и для других молекул, которые не были рассмотрены в работе. Кроме того, предложенная идея поможет улучшить компьютерные методы молекулярной динамики, описывающие сборку разнообразных покрытий, — поясняет первый автор публикации, заведующая лабораторией «Структура и динамика индивидуальных наносистем» Ольга Коневцова, — Мы верим, что опубликованная работа вызовет новую волну исследований того, как осаждаются органические молекулы на поверхности наноструктур».

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Nanoscale.