Ученые совершили прорыв в области наноматериалов, обнаружив, что скручивание углеродных нанотрубок радикально усиливает их способность к химическим модификациям. Ключевую роль в этом процессе играют особые дефекты структуры, известные как дефекты Стоуна-Уэльса. Представьте себе идеальную сетку из шестиугольников, как в пчелиных сотах — именно так выглядит поверхность идеальной нанотрубки. Дефект Стоуна-Уэльса возникает, когда четыре таких шестиугольника превращаются в два пятиугольника и два семиугольника, создавая своеобразное "искривление" в идеальной структуре. Именно эти участки становятся "горячими точками" — центрами повышенной химической активности, где легче всего происходит присоединение различных молекул.
Исследование, проведенное специалистами из Института физики прочности и материаловедения СО РАН, Саратовского государственного университета и Сеченовского университета, показывает, что, если нанотрубку с такими дефектами еще и механически скрутить, ее химическая активность возрастает многократно. Деформированные нанотрубки становятся гораздо более химически активными, открывая новые горизонты для их применения в энергетике, медицине и электронике.
Многостенные углеродные нанотрубки (МУНТ) сами по себе обладают уникальной прочностью и электропроводностью. Однако их настоящий потенциал раскрывается при функционализации — присоединении различных химических групп, в частности карбоксильных (-СООН). Такие модифицированные нанотрубки становятся идеальными кандидатами для создания высокочувствительных сенсоров, эффективных катализаторов и систем доставки лекарств в организме.
Исследователи использовали передовые методы компьютерного моделирования для изучения того, как сочетание дефектов Стоуна-Уэльса и механического скручивания влияет на способность нанотрубок присоединять кислородсодержащие группы. Оказалось, что торсионная деформация не только меняет геометрию поверхности, создавая более крупные поры и увеличивая расстояния между ключевыми атомами, но и кардинально влияет на электронные свойства материала, особенно в области этих дефектов.
Так, в скрученных нанотрубках уровень Ферми (ключевой параметр химической активности) значительно снижается, а плотность электронных состояний возрастает. Это означает, что материал становится более «охотным» к вступлению в химические реакции. Но самое главное — скручивание кардинально снижает энергетический барьер, который необходимо преодолеть для присоединения карбоксильной группы. Если в обычной нанотрубке этот барьер составляет 0.144 эВ/атом, то в скрученной он падает до 0.101 эВ/атом. Более того, процесс присоединения гидроксильной группы к карбонильной и вовсе становится энергетически безбарьерным, то есть происходит практически самопроизвольно, особенно в районе дефектов Стоуна-Уэльса.
Исследователи также детально изучили перераспределение электронного заряда и обнаружили, что основные «события» разворачиваются именно вблизи этих топологических дефектов, которые работают которые работают как естественные катализаторы, притягивая и активируя молекулы для химических реакций.
Эти фундаментальные открытия имеют огромное прикладное значение. Снижение энергетических затрат на функционализацию позволит упростить и удешевить процесс создания новых материалов с заданными свойствами. Высокая реакционная способность деформированных нанотрубок с дефектами Стоуна-Уэльса открывает путь к разработке более эффективных электродов для аккумуляторов, сверхчувствительных газовых сенсоров, систем фильтрации воды и носителей для целевой доставки лекарственных препаратов в биомедицине.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 25-22-00377) и в рамках государственного задания ИФПМ СО РАН. Статья опубликована в журнале «Химическая физика и мезоскопия», подводя научную базу под создание материалов будущего уже сегодня.
Отчет исследования опубликован в журнале «Химическая физика и мезоскопия».
Создано при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Десятилетия науки и технологий (ДНТ), объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.
