Физики Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского впервые продемонстрировали необыкновенные свойства наносетчатого графена как одного из самых перспективных материалов для изготовления газовых сенсоров. Теперь датчики станут более чуткими для обнаружения и распознавания вредных веществ. Результаты исследований опубликованы в научном журнале «Science and Technology of Advanced Materials».
Как именно были получены новые результаты? С этим вопросом мы обратились к руководителю научного проекта, заведующей кафедрой радиотехники и электродинамики СГУ, доктору физико-математических наук, профессору Ольге Евгеньевне Глуховой. Напомним, что учёные Саратовского университета первыми в мире открыли оптимальные режимы лазерного синтеза гибридных наноструктур на основе углеродных нанотрубок и графена. Исследования проводятся в соответствии с программой развития СГУ в рамках федеральной программы Минобрнауки России «Приоритет 2030».
Супер-ячейки с функциональными группами СООН
– Ольга Евгеньевна, что удалось выяснить в результате ваших исследований?
– Наносетчатый графен относится к 2D-наноматериалам, которые в последнее время всё активнее применяются в электронике, включая такие её современные направления, как гибкая прозрачная электроника и электроника для персонализированной медицины.
В результате большой мультидисциплинарной работы, объединившей исследования химиков-технологов, синтезирующих наносетчатый графен, и физиков, выявляющих новые свойства материала, было установлено, что для формирования матриц в виде графеновых монослоёв с наноразмерными отверстиями, функционализированными карбоксильными группами (СООН) необходимо введение до 95 ат. % карбоксильных групп.
Впервые теоретически был выявлен механизм функционализации на основе принципа энергетически выгодного процесса модификации исходной структуры теми или иными функциональными группами. На примере функционализации карбоксильными группами наносетчатого графена показано, что разработанный теоретически подход полностью подтверждается экспериментальными исследованиями. Это позволяет говорить о новой методике численного моделирования функционализации наноструктур, которая обеспечивает прогнозирование новых наноматериалов.
Доказано влияние карбоксилирования на механизм проводимости и электронную структуру. Учитывая дырчатую структуру, латеральную неоднородность и преобладание высокоаффинных карбоксилов, продемонстрировано усиленное обнаружение и распознавание различных спиртов, ацетона и паров аммиака при комнатной температуре. Хеморезистивный отклик на аммиак во влажном воздухе также обнаружен экспериментально и обоснован с помощью метода теории функционала плотности проведённым моделированием влияния аммиака, воды и их смеси на электронную структуру и удельное сопротивление карбоксилированного графена.
– Как лучше объяснить результат вашей работы неспециалисту?
– Датчики паров спиртов, ацетона и аммиака станут гораздо более чуткими и смогут уловить наличие даже одной молекулы этих вредных веществ из миллиона!
– Как вы охарактеризуете практическую значимость и применимость результатов вашей работы на данный момент или в перспективе?
– Вся наша работа направлена на повышение чувствительности сенсорных устройств, настроенных на обнаружение в воздухе спиртов и других вредных веществ. Подобные датчики смогут вовремя предупредить о появлении вредных веществ и предотвратить отравление людей. Такие приборы могут быть очень востребованы не только на производстве, но и в обычной жизни. Их главная цель – сохранить здоровье населения.
Благодаря дырчатой структуре, высокоаффинным карбоксилам и присущей неоднородности в структуре и химическом составе карбоксилированного графена, его выгодно применять в качестве чувствительного слоя для мультисенсорных чипов. Селективное распознавание различных спиртов, ацетона и аммиака при комнатной температуре имеет большое значение в системах «электронного носа», то есть электронных приборах, предназначенных для определения запахов или привкусов. Их следующие поколения будут обладать пониженным энергопотреблением и использоваться не только для контроля состояния окружающей среды, но и для диагностики заболеваний.
– В чём преимущество и новизна результатов, полученных вашей группой?
– Конечно, работа в этом направлении ведётся не только нами. В нашем случае найдена наиболее оптимальная концентрация групп СООН на поверхности наносетчатого графена, обеспечивающая улучшение сенсорных свойств.
– Какие дальнейшие задачи стоят перед вашим коллективом?
– Полученные результаты показали влияние адсорбированного аммиака, воды и их комбинации на уровень Ферми и частичный перенос заряда. Это даёт более ясное представление о природе химико-резистивного отклика C-xy графена, который может быть распространен на другие функционализированные графеновые материалы.
Мы планируем более глубоко изучить свойства сетчатого графена, функционализированного аминогруппами (NH2) в сочетании с нанокристаллами оксидов переходных металлов. Это должно открыть новые перспективы в работе над «электронным носом».
Изучением гибридных наноструктур на основе углеродных нанотрубок и графена занимается коллектив медиков, физиков и технологов. Часть этого большого коллектива, в частности научная группа Саратовского университета, занимается математическим моделированием. В научную группу под руководством О.Е. Глуховой входят восемь человек, в том числе кандидаты физико-математических наук, доценты кафедры радиотехники и электродинамики СГУ М.М. Слепченков, В.В. Шунаев, ассистент Д.А. Колосов, а также аспиранты и магистранты.
Фрагмент наносетчатого графена
Беседовала Тамара Корнева
ССЫЛКА ПО ТЕМЕ
ТАСС, 25.04.2022: В России улучшили чувствительность газовых сенсоров "электронного носа" втрое
