Исследование взаимодействия боронитридных наноструктур с углеродосодержащими молекулами

DOI:

Сегодня применение нанотрубок, благодаря их универсальным свойствам, в качестве элементов нанодатчиков быстро растет. Такие свойства наносистем особенно востребованы в биологических и медицинских отраслях. Био- и наносенсоры используются для диагностики и лечения конкретных заболеваний. В связи с этим ученые, занимающиеся исследованиями в области био- и нанотехнологий, пытаются добиться новых открытий в области прогнозирования и лечения заболеваний.

Гауптман и др. [7] предложили ультразвуковые датчики для контроля технологических процессов и химического анализа. Микрокантилеверные датчики, в которых исследовалось влияние демпфирования, поверхностных напряжений и массового нагружения, были изучены Тундатом и его коллегами [12].

Илик и др. [8] работали над механическим резонансным исследованием биологического детектора. Они проиллюстрировали, что иммуноспецифическим биологическим детектором является механический генератор с микроразмерным кантилевером из нитрида кремния. Исследовано влияние плотности атомов газа, размера нанотрубки и различных граничных условий на чувствительность ОУНТ.

В последнее время из-за ярко выраженных физических, химических, электрических и механических свойств нанотрубок нитрида бора (БННТ), по сравнению с УНТ, ученые в области нанотехнологий активно изучают и используют БННТ [2; 3]. Циофани и др. [6] работали над поведением БННТ, которое действует как инновационное наноустройство для решения проблем наномедицины. Чоудхури и др. [5] эксплуатировали вибрационное поведение и нарушение симметрии БННТ. В другом исследовании Чоудхури и Адхикари [4] тщательно исследовали теоретический случай изменения частотного сдвига в БННТ как бионаносенсорах масштаба 10-21 грамм. В различных значительных работах Панчал и его коллег [9–11] исследовалась вибрация бионанозондирования различных бактерий и вирусов на основе одностенных боронитридных нанотрубок для случаев кресла и зигзага. Адхикари [1] в одной из глав книги предложил всестороннее исследование одностенных БННТ как бионаносенсоров.

В современном мире особенно важно здоровье людей, а с каждым годом содержание углекислого и сернистого газа в воздухе растет. Это влечет за собой следующие пагубные последствия: слабость, сонливость, головные боли, проблемы с концентрацией внимания. Остро стоит проблема определения наличия вредных газов в помещениях различного назначения, используя при этом высокотехнологичные датчики, способные реагировать даже на микроколичества вредных веществ (например, в палатах интенсивной терапии). Ухудшение экологии влияет и на развитие многих заболеваний человека. Анализ дыхания может потенциально обеспечить неинвазивное средство для оценки состояния здоровья человека. Ограниченное количество ЛОС (летучих органических соединений) коррелирует с наличием специфических заболеваний. Такие соединения, как ацетон, могут фактически рассматриваться как маркеры заболеваний, поэтому и требуется их селективное обнаружение. Следовательно, можно утверждать, что представленные исследования по созданию высокоэффективных энергосберегающих хеморезистивных сенсорных датчиков на основе наноматериалов для анализа воздуха чрезвычайно актуальны как для развития персонализированной медицины, так и для нужд экологии в целом.

В данной работе исследована возможность граничного модифицирования одностенной боронитридной нантрубки нитридной группой, а также определены сорбционные и сенсорные особенности получившейся системы в отношении углеродосодержащих молекул.

Данные исследования могут лечь в основу создания высокоточных сенсоров для определения заболеваний человека, а также для датчиков, проводящих контроль качества воздуха в помещениях бытового и промышленного назначения. Выбор нитридной группы (NO2) обусловлен тем, что нитрогруппа является сильным электроноакцептором, так как обладает отрицательным индуктивным и мезомерным эффектами («стягивает» на себя электронную плотность), что оказывает положительное влияние на процессы присоединения молекул к общей системе БННТ-NO2.

Таким образом, это исследование и связанные с ним усовершенствованные будущие работы в этой области помогут найти полезные и практические способы продвижения общих знаний о бионанодатчиках в медицинских приложениях.

Проведена работа с боронитридной нанотрубкой типа zig-zag (6,0), которая была гранично модифицирована аминной группой. Функциональная группа была присоединена к атому бора нанотрубки под углом 173,4°. Длина связи между аминной группой и боронитрид-ной нантрубкой составила 1,4 Å.

Первым этапом исследования было моделирование взаимодействия между получившейся наносистемой и молекулой углекислого газа СО2. Моделирование носило пошаговый характер присоединения молекулы углекислого газа к трубке с шагом 0,1 Å. Расстояние взаимодействия составляло расстояние от 0,2 до 6 Å.

В результате расчетов было получено подтверждение наличия сорбционного взаимодействия между боронитридной наносистемой и молекулой углекислого газа. Была рассчитана энергия связи, составляющая -0,078 эВ на расстоянии 2,3 Å от атома кислорода нитрогруппы. По результатам исследования построен график зависимости энергии взаимодействия от положения молекулы относительно наносистемы (рис. 1).

Далее было проведено компьютерное моделирование процесса сканирования воображаемой поверхности, на которой присутствует молекула CO2. Это было проведено для определения наличия чувствительности наносистемы к присутствию данных молекул в пространстве. Результаты исследования показаны на рисунке 2.

Рис. 1. Изображение зависимости энергии взаимодействия от положения молекулы относительно наносистемы

Рис. 2. Изображение зависимости энергии взаимодействия от положения молекулы относительно наносистемы при моделировании сканирования произвольной поверхности, содержащей молекулу углекислого газа

В ходе исследования было проведено компьютерное моделирование процесса граничного модифицирования бороуглеродной нанотрубки функциональной аминной группой. Были исследованы особенности сорбционного и сенсорного взаимодействия получившегося нанокомплекса в отношении молекулы углекислого газа.

Анализ результатов взаимодействия показал наличие слабого ван-дер-ваальсо-вого взаимодействия в каждом из моделируемых процессов. Данный тип взаимодействия может являться предпосылкой к возможности многоразового использования данного нанокомплекса в качестве элемента устройства для определения присутствия углекислого газа.