Российские физики создали новый способ «отлова» углеродных нанотрубок

Сотрудники физического факультета Южного федерального университета разработали оригинальный метод отбора углеродных нанотрубок. Российские ученые поняли принципы, по которым происходит их «отлов» из смеси со сложными органическими молекулами или полимерами - и опубликовали работу в журнале Nanoscale.

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 сформировать нанотрубку. Проблема заключается в том, что сделать это можно очень большим количеством способов. При обычном синтезе образуется множество типов нанотрубок с разными диаметрами и структурой стенок.

Структура и физические свойства одностенных УНТ тесно и просто связаны друг с другом. Именно поэтому в таких областях, как микроэлектроника, солнечная энергетика и медицина, требуются одностенные нанотрубки с определенной структурой. Синтезировать их сразу с заданными свойствами сложно и трудоемко, а потому нельзя масштабировать производство. В то же время смесь нанотрубок с разной структурой получить гораздо проще. В течение последних лет ученые активно разрабатывают технологии сортировки, подходящие для массового производства продукта с предопределенными параметрами.

«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 руководитель группы, профессор кафедры нанотехнологии физического факультета ЮФУ Сергей Рошаль. — 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».

Ростовские физики нашли критерии, по которым можно определить 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 молекулярного покрытия нанотрубки. Причем определяющим фактором в этом соответствии является так называемый вектор хиральности — характеристика, которая однозначно задает 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. На примере десятка нанотрубок известной структуры и веществ, у которых уже была обнаружена способность избирательно прилипать к поверхностям нанотрубок — флавинов, дихлорфеноксиуксусной кислоты, а также некоторых полимеров — ученые показали состоятельность своей теории.

«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 Рошаль. — Мы верим, что опубликованная работа вызовет новую волну исследований того, как осаждаются органические молекулы на поверхности наноструктур».

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.