Материалы портала «Научная Россия»

Графен реагирует как сенсор на тяжелые металлы

Графен реагирует как сенсор на тяжелые металлы
Миниатюрные размеры такого сенсора создают очевидные конкурентные преимущества по сравнению с другими типами датчиков

Команда ведущих мировых ученых из НИТУ «МИСиС» (Россия), Университета Линчёпинга (Швеция), Института проблем материаловедения имени Францевича НАНУ (Украина) и Тринити колледжа (Ирландия) выяснила, как один из самых
перспективных материалов – графен можно использовать в качестве сенсора на тяжелые металлы. Статья с результатами работы опубликована в журнале группы Nature – Scientific Reports.
Открытие графена инициировало появление огромной области науки, связанной с его изучением. Графен отличается от других веществ, тем, что длина свободного пробега электронов в нём очень высока. Поэтому ученые очень надеются на то, что данный материал может быть использован в различных технологических областях, в частности – в электронике. Однако на пути применения графена в электронике встала проблема: любое препятствие на пути электронов – атомы металлов или дефекты в кристаллической решетке существенно уменьшают длину свободного пробега электронов и меняют свойства материала. Если для Нобелевской премии было достаточно отслоить пластинку графена от графитового стержня при
помощи клейкой ленты, то для промышленного использования графена нужны намного более аккуратные технологии, обеспечивающие воспроизводимость результатов. Поэтому чистота материала играет критическую роль.
Получить образцы графена, которые можно было бы применить в электронике, ученые пока не смогли. Однако додумались, как превратить недостаток в преимущество: графен может быть использован как сенсор на атомы или молекулы, которые при осаждении на поверхность графена уменьшают длину свободного пробега электронов и мешают использованию этой модификации углерода в качестве полупроводника. Миниатюрные размеры такого сенсора, обусловленные тем, что даже кусочек из 30-50 атомов углерода, собранный в графеновую структуру (т.н. «наноточка»), может работать как сенсор,
создают очевидные конкурентные преимущества по сравнению с другими типами датчиков. Но, прежде чем создавать такой суперсенсор, материал надо «откалибровать» – добиться фундаментального понимания того, как графен взаимодействует с тем или иным элементом.
Но прежде чем проводить эксперименты, необходимо было понять, какой результат можно получить. «Основа любой научной работы – теория, а для теоретика важна возможность моделирования максимального числа вариантов, а также оперативного и корректного исключения заведомо ложных данных, – отметила ректор НИТУ «МИСиС» Алевтина Черникова. – Высокие технологии и большие вычислительные мощности позволяют существенно сократить период разработки решений. В 2014 году в НИТУ «МИСиС» была создана лаборатория моделирования и разработки новых материалов, которую возглавил профессор Игорь Абрикосов. Используя возможности суперкомпьютерного кластера Cherry, научный коллектив лаборатории сокращает период разработки востребованных решений в области материаловедения». В данном случае команда ученых из НИТУ «МИСиС» (Россия), Университета Линчёпинга (Швеция), Института проблем материаловедения имени Францевича НАНУ (Украина) и Тринити колледжа (Ирландия) решила просчитать, как меняются свойства графена при
осаждении на него ионов и атомов некоторых тяжелых металлов – кадмия, свинца и ртути.  
«Выбор металлов обусловлен тем, что это одни из наиболее ядовитых примесей, какие только имеются в воде, и возможность быстрого и аккуратного их детектирования – весьма актуальная задача», – поясняет один из авторов работы, руководитель лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» НИТУ «МИСиС» и профессор Линчёпингского университета Игорь Абрикосов.

Молекулярные орбитали (верхняя занятая и нижняя свободная) в квантовых точках (С 54 Н 18 ), на которые осели атомы Cd (a,d), Hg (b,e) и Pb (c,f).

Молекулярные орбитали (верхняя занятая и нижняя свободная) в квантовых точках (С 54 Н 18 ), на которые осели атомы Cd (a,d), Hg (b,e) и Pb (c,f).

В качестве модельного графена был выбрал материал, который получают в Университете Линчепинга (профессор этого университета и соавтор работы Розица Якимова – мировой лидер в области получения сверхчистого графена). Он получается при нагревании карбида кремния. При достижении определенной температуры атомы кремния улетучиваются, а
атомы углерода остаются в нужной конфигурации.
При помощи разработанных авторами работы методов квантовомеханических расчетов и суперкомпьютеров НИТУ «МИСиС» и Университета Линчёпинга ученые оценили, как ртуть, кадмий и свинец, осаждаясь на небольшие пластинки графена (так называемые «квантовые точки»), а также на сплошную поверхность этого двумерного материала,
меняют его проводимость. Также исследователи вычислили, насколько хорошо означенные элементы притягиваются к графену и как они мигрируют по его поверхности – эти параметры важны для фундаментального понимания того, можно ли сделать сенсор на основе графена многоразовым.

Максимально устойчивая структура квантовой точки С 23 Н 12 с дефектом, на которую осели атомы Cd (a), Hg (b) и Pb (c)

Максимально устойчивая структура квантовой точки С 23 Н 12 с дефектом, на которую осели атомы Cd (a), Hg (b) и Pb (c)

«Одним из самых интересных результатов стало то, что у графена при осаждении на него каждого из трех ионов тяжелых металлов смещается спектр поглощения из ультрафиолетового в видимый (а в ряде случаев даже в инфракрасный) диапазон. Причем, по тому, как смещается спектр, сразу видно, какой именно элемент осел. Это идеальное
условие для того, чтобы использовать графен в качестве сенсора», – подчеркнул профессор Абрикосов. Для каждого элемента и для каждой его концентрации можно выстроить такую градуировочную шкалу. Приборы, фиксирующие полосы поглощения, давно разработаны, так что с фиксацией изменений в спектре проблем не возникнет.

Пики поглощения для двух модификаций квантовых точек (голубая и оранжевая пунктирная линия), а также для этих точек с осевшим на них атомом Cd (a), Hg (b) и Pb (c) (желтая и фиолетовая линия соответственно). Для всех случаев видно резкое  снижение интенсивности поглощения и смещения максимума в более длинноволновую (красную) область спектра.

Пики поглощения для двух модификаций квантовых точек (голубая и оранжевая пунктирная линия), а также для этих точек с осевшим на них атомом Cd (a), Hg (b) и Pb (c) (желтая и фиолетовая линия соответственно). Для всех случаев видно резкое снижение интенсивности поглощения и смещения максимума в более длинноволновую (красную) область спектра.

Также исследователи вычислили ряд важнейших параметров взаимодействия тяжелых металлов с графеном – энергии адсорбции, диффузионные и миграционные барьеры, то есть, дана очень хорошая фундаментальная характеристика взаимодействия этих элементов с графеном, которая станет основой для дальнейших работ экспериментаторов
и инженеров при непосредственном конструировании датчиков.
Как подчеркнул профессор Абрикосов, даже при современных мощностях суперкомпьютеров работа по непосредственному обсчёту взаимодействия трёх тяжелых металлов с графеном и графеновыми точками заняла около полугода. Но следующий этап работы ещё более трудоемкий – нужно изучить одновременное осаждение на графен атомов различных элементов.

графен сенсоры тяжелых металлов

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий