Исследование взаимодействия модифицированной боронитридной наноструктуры с молекулой ацетона

DOI:

Наномасштаб или наноразмер – это то, к чему сейчас устремленно внимание основного научного сообщества, так как именно при таких мельчайших размерах проявляются совершенно новые и уникальные химические и физические свойства материалов. Структуры таких размеров особенно востребованы в промышленных и медицинских отраслях. Нанотрубки из нитрида бора (БННТ) в отличии от своих «предшественников» – углеродных нанотрубок (УНТ) – имеют ряд преимуществ, таких как сохранение термомеханической стабильности при высокой температуре [3], аналогичную теплопроводность [5], стойкость к окислению (до 900 °C) [1], изоляторные свойства [6], широкая запрещенная зона (5–6 эВ) [4]. Благодаря этим характеристикам новые высокотехнологичные сенсоры, используемые для диагностики и лечения конкретных заболеваний, будут более качественными и надежными. Морфологический анализ конца нанотрубок из нитрида бора с использованием просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения может дать ценное представление о механизме роста при лазерной абляции при высоком температурном давлении, где на сегодняшний день можно получить материалы БННТ наилучшего качества. Влияние демпфирования поверхностных напряжений и массового нагружения было исследовано Тунда-том и другими, а затем описано статье, посвященной микрокантилеверным датчикам [2]. В настоящее время ведется активная работа использования БННТ в различных областях: в качестве рециркулируемого адсорбента для очистки воды, в качестве биологического зонда, носителя лекарств, или биологического канала в биосенсоре как инновационного наноустройства для решения проблем наномедицины.

Современный мир постоянно меняется и организм человека постоянно сталкивается с новыми, и не всегда полезными изменениями в окружающей среде. Частые изменения в природе и в свою очередь в атмосфере влекут за собой неизбежные проблемы со здоро- вьем. Определение наличия вредных газов в помещениях, предназначенных для различных целей, является достаточно актуальной задачей. Решить ее возможно при помощи высокотехнологичных приборов, которые могут очень эффективно реагировать на микроколичество вредных веществ. В таких областях как пирометаллургия, гидрометаллургия и другие работа человека ведется в очень неблагоприятных экологических условиях, что может привести к развитию заболеваний, к примеру, ишемическая болезнь сердца, инсульт, сахарный диабет, хроническая обструктивная болезнь легких и др. Химические соединения, выделяющиеся в виде газов из твердых или жидких веществ, вредны для человека, следовательно, необходима работа, направленная на снижение их количества.

Для контроля здоровья человека возможно установление различных маркеров заболеваний, которые могут находиться в выдыхаемом воздухе. К таким маркерам относится ацетон, он может свидетельствовать о наличии инфекционного заболевания или сахарного диабета.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что создание и техническое развитие высокоэффективных энергосберегающих сенсорных датчиков является очень актуальной задачей для исследования. В основе работы таких датчиков обратная связь происходит за счет протекания физико-химических процессов, а нанокомпоненты улучшают качество анализа воздуха. Такие датчики могут применяться в различных областях деятельности человека, начиная от медицины и заканчивая экологией.

Исследование показало преимущество граничного модифицирования одностенной нанотрубки включающей в себя бор к которой также на внешнюю границу присоединена группа NO2. В данной работе была проведена оценка адсорбционной и сенсорной чувствительности данной системы к присутствию газофазных молекул, а именно к молекуле ацетона.

Нитрогруппа (NO2) была выбрана в соответствии со следующими факторами: данная функциональная группа эффективно притягивает к себе электрон, то есть происходит, так называемое «оттяжение» на себя электронной плотности, что в свою очередь оказывает усиливает адсорбционные свойства всего комплекса БННТ-NO2. Таким образом, можно сделать вывод, что данная работа, дополняющая знания о сенсорах на основе био и нанотехнологий, будет полезна не только в теоретическом плане, но и в качества базиса для создания сенсорных наноустройств на практике. Представленное исследование может дать существенный толчок для развития сенсоров на основе новых технологий в медицинских и технических областях.

Исследовательская часть

Проведено исследование с боронитрид-ной нанотрубкой типа zig-zag (6,0), которая была гранично-модифицирована нитрогруппой. Функциональная группа была присоединена к атому бора нанотрубки под углом 173,4°. Длина связи между нитрогруппой и боронитрид-ной нантрубкой составила 1,4 Å. Первым этапом исследования было моделирование взаимодействия между получившейся наносистемой и молекулой ацетона. Моделирование носило пошаговый характер присоединения молекулы ацетона к трубке с шагом 0,1 Å (рис. 1).

Расстояние взаимодействия составляло расстояние от 1 до 5,2 Å. В результате расчетов было получено подтверждение наличия сорбционного взаимодействия между боро-нитридной наносистемой и молекулой ацетона. Была рассчитана энергия связи, состав- ляющая 0,041 эВ на расстоянии 4 Å от атома кислорода нитрогруппы. По результатам исследования построен график зависимости энергии взаимодействия от положения молекулы относительно наносистемы (рис. 2). Далее было проведено компьютерное моделирование процесса сканирования воображаемой поверхности, на которой присутствует молекула C3H6O. Подобные расчеты необходимы для подтверждения эффективности сенсорного датчика при обнаружении веществ в пространстве. Результаты расчета зависимости энергии взаимодействия от положения молекулы относительно наносистемы БННТ-СО2 показаны на рисунке 3.

Заключение

Проведение исследований, заключающихся в компьютерном моделировании процессов присоединения молекулы ацетона к модифицированной нитрогруппой границе полубесконеч-ной боронитридной нанотрубки позволили провести расчеты основных физико-химических характеристик системы «Ацетон – модифицированная БННТ». Был проведен расчет энергии взаимодействия молекулы с наносистемой и по полученным результатам было смоделировано сканирование произвольной поверхности, содержащей молекулу ацетона, установлены основные электронно-энергетические характеристики данного процесса.

Проанализировав полученные данные, было установлено, что между исследуемой молекулой и нанокомплексом взаимодействие реализуется за счет слабых сил Ван-дер-Ваальса. Такое взаимодействие позволит судить о многократном использовании датчика без его химического разрушения и изменения структуры.

Рис. 1. Изображение моделирования сканирования воображаемой поверхности системой БННТ-NO2, содержащей молекулу углекислого газа

Рис. 2. Изображение зависимости энергии взаимодействия от положения молекулы относительно наносистемы

Рис. 3. Изображение зависимости энергии взаимодействия от положения молекулы относительно наносистемы при моделировании сканирования произвольной поверхности, содержащей молекулу ацетона