Исследование взаимодействия углекислого газа с модифицированными функциональными группами нанотрубок

DOI:

Одной из современных проблем развития технологий является проблема энергосбережения и энергоэффективности новых производств и используемого оборудования. Как правило, высокотехнологичное оборудование потребляет большое количество электроэнергии, что ведет к различным ресурсным затратам. В числе таких важных устройств присутствуют и одни из наиболее востребованных в настоящее время сенсорные устройства различного типа, которые используются для обнаружения и идентификации веществ в различных средах. Они могут применяться для обеспечения экологического мониторинга, для контроля загрязненности воды и воздуха, определение источников промышленных выбросов и для других целей.

Одной из подобных и важных областей применения сенсорных устройств – это область контроля загрязнения воздуха в помещениях. Помимо жилых и производственных помещений особенно актуальным будет являться контроль и поддержание чистоты воздуха в медицинских учреждениях, палатах интенсивной терапии, боксах для новорожденных, а также для поддержания условий в лабораториях для проведения исследований. В настоящее время для выполнения названных задач во всех областях используется довольно энергозатратное оборудование (различные газоанализаторы, спектральные приборы и т. п.). Поэтому необходим поиск новых решений и создание новых недорогих универсальных сенсорных устройств, энергоэффективность которых будет обеспечиваться применением принципиально новых материалов, в том числе, в качестве сенсорных датчиков.

Исследования, посвященные использованию углеродных нанотрубок (УНТ) в качестве датчика для определения различных газов, достаточно обширны [4; 5; 6; 7; 9; 10]. Однако ещё не была рассмотрена возможность использования гранично-модифицированных функциональными группами УНТ для идентификации молекул газов.

Ранее были проведены исследования, посвященные сорбционному и сенсорному взаимодействия модифицированных наноструктур на основе углерода в отношении атомов и ионов щелочных металлов [1; 2; 3; 11]. Эти исследования доказали наличие высокой чувствительности наносистем к микроколичествам веществ. Они могут создавать предпосылки к расширению типов детектирующих систем и видов определяемых веществ. Подобные теоретические исследования ранее не выполнялись, что определяет актуальность материала, представленного в статье.

Результаты и обсуждение

Проведенные ранее исследования, посвященные граничному модифицированию углеродной нанотрубки аминной группой, показали образование стабильного химического комплекса [8]. Для изучения сорбционного взаимодействия молекулы углекислого газа с комплексом «углеродая нанотрубка – аминная группа» было выполнено моделирование процесса присоединения путем пошагового приближения исследуемой молекулы к крае- вого атому функциональной группы (рис. 1). По результатам исследования были построены кривые, показывающие общую картину взаимодействия (рис. 2). Анализ результатов показал, что присоеднинение молекулы происходит безбарьерно. Установленное расстояние взаимодействия 2 Е и энергия взаимодействия 1,59 eV доказывает наличие слабого вандер-ваальсового взаимодействия. Такой тип взаимодействия обеспечит возможность многократного использования подобного сенсорного устройства без его разрушения или изменения его свойств, что могло бы произойти в случае образования химической связи между наносистемой и исследуемым веществом.

Заключение

Несмотря на высокую популярность исследований в области сенсорных свойств нанотрубок, ранее не было приведено теоретических обоснований, подтвержденных компь-терными расчетами электронно-энергетичес- ких характеристик сорбционной и сенсорной активности нанотубулярных материалов, включающих компьютерное моделирование взаимодействия между модифицированной углерож-дной нанотрубкой и молекулами газов (в том числе углекислого газа). Также стоящая довольно остро проблема оценки качества воздуха и помещениях, позволяет судить об актуальности данных исследований.

Выполненные исследования доказывают реализацию слабого физического сорбционного взаимодействия между наносистемой, состоящей из углеродной нантрубки, гранично-модифицированной аминной группой, и молекулой углекислого газа. Это позволяет говорить о возможном сенсорном взаимодействии, которое позволит использовать подобный комплекс для обнаружения микроколичества вещества – углекислого газа. На основе этого можно сделать вывод, что модифицированные углеродные нанотрубки могут являться элементами датчиков для определения качества воздуха в помещении, выступать в качестве

Рис. 1. Модель модифицированной аминной группой углеродной нанотрубки при взаимодействии с молекулой углекислого газа

Рис. 2. Энергетическая кривая взаимодействия системы УНТ-аминная группа с молекулой CO2

зондов кантиливеров атомно-силовых микроскопов и других устройств.