Физики Саратовского университета первыми в мире открыли оптимальные режимы лазерного синтеза гибридных наноструктур на основе углеродных нанотрубок и графена. Открытие вызвало широкий резонанс в научной среде, ведь это реальный прорыв в области наноэлектроники и биоинженерии.
Как объяснили специалисты, максимально популярно излагая нам суть экспериментальных исследований, под оптимальными режимами лазерного синтеза понимается определённый интервал длин волны лазерного облучения, который предопределяет максимально возможные для данного материала электропроводность и прочность. Подобные наноматериалы называются гибридными. Всем известно, что слово «гибрид» уже предусматривает сочетание близких, но разных по свойствам объектов. В данном случае сочетаются два разных объекта – по своей размерности. Углеродные нанотрубки являются 1D-объектом, то есть объектом, поперечными размерами которого можно пренебречь по сравнению с длиной (примером может служить человеческий волос – очень тонкий по сравнению с его длиной). Графен относится к 2D-объектам, то есть представляет собой тонкий лист, толщина которого пренебрежимо мала по сравнению с его размерами. Эти гибридные наноматериалы, назовём их «гибриды», демонстрируют повышенные прочность, электропроводность и электроёмкость по сравнению с исходными 1D- и 2D-наноматериалами.
Специалисты университета выявили такую топологию взаимного расположения 1D- и 2D-объектов в составе гибрида, которая не только обеспечивает высокую электропроводность и электроёмкость, но и позволяет сохранить функциональные свойства материала при деформации.
В результате каких исследований и как именно были получены подобные результаты? С этим вопросом мы обратились к руководителю научного проекта, заведующей кафедрой радиотехники и электродинамики СГУ, доктору физико-математических наук, профессору Ольге Евгеньевне Глуховой. Она прояснила практическую значимость полученных результатов, их применимость сегодня и в перспективе.
Исследование проводилось в рамках государственного задания Минобрнауки «Топологическое управление электронными и оптоэлектронными свойствами графен-нанотрубных композитных материалов» и гранта РНФ «Функциональные разветвлённые сети на основе одностенных углеродных нанотрубок, жгутов из них и графеновых монослоистых чешуек для эмиссионной электроники: новые технологические решения и прикладные разработки».
Эта тема объединяет интересы нескольких коллективов, включая научные группы Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники», Первого Московского государственного медицинского университета имени И.М. Сеченова, Научно-производственного комплекса «Технологический центр», Института нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук и, конечно же, Саратовского национального исследовательского государственного университета, где, собственно, и был открыт оптимальный режим создания гибридных наноструктур на основе углеродных нанотрубок и графена – наиболее оптимальная частота лазерной наносварки графена с нанотрубками.
НАНОИМПЛАНТ НА ОСНОВЕ ГРАФЕНА И УГЛЕРОДНЫХ ТРУБОК
Как рассказала Ольга Евгеньевна об истории научной проблемы, первоначально именно для медицинских целей понадобились особенные наноматериалы, которые были бы одновременно высоко электропроводными и прочными. Именно такие материалы должны выступить в качестве имплантов для сердца – «заплаток» при разрыве миокарда. Одними из наиболее подходящих материалов стали разветвлённые сетки из гибридного наноматериала на основе графена и углеродных нанотрубок. Изначально рассматривались два типа нанотрубок: однослойные – стенки которых состояли из одного слоя атомов углерода; и многослойные – их можно представить, как множество цилиндров разного диаметра, вложенных один в другой.
Чтобы понять, как соединение с графеном повлияет на свойства нанотрубок каждого типа, чтобы обеспечить их прочность и проводимость, физикам поначалу предстояло их «сшить». В Московском институте электронной техники была разработана технология лазерной наносварки, которая позволяла прочно соединить материалы химическими связями. Для этого исследователи использовали лазерное излучение с короткими импульсами. Полученные в результате лазерной сварки 3D-сетки помещались в раствор, где находятся макробиомолекулы, и в результате лазерного облучения из раствора получался новый нанобиоматериал – имплант.
Одним из первых применений нового нанобиоматериала стал имплант, одновременно замещающий и способствующий восстановлению хрящевой ткани в суставах. Доклинические исследования показали, что такой биосовместимый наноматериал стимулирует рост клеток хрящевой ткани.
Далее тема разработки имплантов на базе гибридных наноматериалов получила новое развитие, например, в качестве «заплаток» для сердца после инфаркта миокарда. В Первом Московском государственном медицинском университете имени И.М. Сеченова были успешно проведены уникальные доклинические испытания.
Как известно, живой организм может и самостоятельно «латать» разрыв сердечной мышцы, но соединительной тканью, а значит, остаются рубцы. А вот «нанозаплатка» позволит избежать этого. Каким образом? Наноматериал – высокоэластичный, проводящий, биосовместимый и высокопрочный – он практически полностью заменяет мышечную ткань миокарда.
Над этой и другими задачами работает коллектив медиков, физиков и технологов. Часть этого большого коллектива, в частности научная группа нашего университета, занимается математическим моделированием. В научную группу под руководством О.Е. Глуховой входят восемь человек, в том числе кандидаты физико-математических наук, доценты кафедры радиотехники и электродинамики СГУ М.М. Слепченков, В.В. Шунаев, ассистент Д.А. Колосов, а также аспиранты и магистранты.
ЧАСТОТА ЛАЗЕРА ДЛЯ ЛУЧШЕЙ НАНОСВАРКИ СТРУКТУР
Как рассказали специалисты, для проведения численного эксперимента с целью выявления лучших физических условий для наносварки углеродных структур была построена атомистическая модель 3D-сетки. Именно с её помощью выявили ту частоту поглощения для всех типов нанотрубок, которая позволит даже при небольшой мощности лазерного облучения синтезировать требуемые гибридные материалы. Квантовое моделирование позволяет определить в спектре поглощения локальный частотный диапазон, в котором поглощение энергии лазера будет максимальным.
В результате учёные нашли ту самую частоту поглощения, которая позволяет из исходного материала в виде отдельных листов графена и нанотрубок получать новый супернаноматериал – гибрид. Этот новый материал – гипер-высокопрочный, очень хорошо проводит электрический ток, а также высоко эластичен. Именно эти качества нужны для создания на его основе имплантов для сердца, сосудов и суставов. Установленная частота соответствует длине волны 266 нм УФ-диапазона. Отметим, лазеры этого диапазона ранее применялись только в стоматологии, и вот теперь они востребованы в бионических технологиях, призванных облегчить жизнь человека техническими средствами. Ранее для сварки наноструктур применялся лазер с длиной волны 1064 нм. Да, он вполне успешно справлялся с поставленной задачей и обеспечивал создание нового перспективного гибридного наноматериала, но, как доказали многочисленные экспериментальные исследования, предсказанная новая лазерная длина волны 266 нм позволяет обеспечить гибриду повышение электрической проводимости и прочности на 100%, как минимум.
Стало очевидным, что это открытие саратовских физиков – открытие мирового уровня!
МНОГОПРОФИЛЬНЫЕ 3D-СЕТКИ
Сегодня учёные продолжают развивать успех в решении этой интересной научной проблемы. Оказалось, что полученные ими 3D-сетки могут использоваться не только во взаимодействии с белками в медицине, но и в электронике. Вот такой получился многопрофильный материал.
Сейчас физики работают на стадии электронных исследований, изучая 3D-сетки применительно к автоэмиссионным катодам. С помощью компьютерного моделирования они пытаются определить пределы прочности графеновых сеток при воздействии сильных внешних электрических полей. Важно знать, при каком электрическом поле то, что получено наносваркой, будет или не будет разрушаться – при каких напряжённостях электрических полей, в каком месте? Специалисты СГУ ведут сложные квантовые расчёты, которые помогут ответить на главный вопрос экспериментаторов-практиков: в какой момент может произойти разрыв наноструктуры? А их коллеги, которые синтезируют эти сетки, с помощью своего современного оборудования пытаются ответить на вопрос, какой эмиссионный ток можно получить с этих сеток.
В этом году в СГУ намерены открыть новую Лабораторию по исследованию применения 3D-сеток как в наноэлектронике, так и в медицине. Несколько патентов уже есть. Сейчас подготовлен патент от СГУ на формирование гибридов: предложено использовать наряду с протяжёнными графеновыми структурами графеновые чешуйки, соединённые с нанотрубками. Последние уже успешно синтезированы.
«Наше исследование показало, что высокие прочность и электропроводность гибридных материалов позволят использовать их в наноэлектронике, а также в качестве компонентов различных устройств биоэлектроники, так как они помогут повысить точность и скорость их работы. В дальнейшем мы планируем более детально изучить особенности химических связей, образующихся между компонентами гибридных структур, чтобы понять, можно ли ещё улучшить их физические характеристики», – рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ О.Е. Глухова.
ОТ МЕДИЦИНЫ ДО ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ
Сегодня очевидно, что саратовские учёные-физики внесли в нано- и биоэлектронику значительный научный вклад – они предложили гибридные сети, более эффективные одностенные нанотрубки вместо многослойных, и оптимальную частоту лазерного облучения для получения гибридных сетей.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), уже опубликованы в журнале Nanomaterials 2021. Vol. 11, no. 8. P. 1875 и Nanomaterials. 2021. Vol. 11, no. 8. P. 1934, а также Chemical Physics. 2021. Vol. 550. P. 111312, Chemosensors 2021, 9(4), 84. doi.org/10.3390/chemosensors9040084, Composite Structures 2021, 260, 113517. doi: 10.1016/j.compstruct.2020.113517, Membranes. 2021. Vol. 11, no. 9. P. 658. DOI: 10.3390/membranes11090658.
Сотрудники кафедры радиотехники и электродинамики и отдела математического моделирования СГУ подготовили монографию «Графен-нанотрубные композиты: математическое моделирование», которую выпустило московское издательство «Русайнс». Полученные результаты свидетельствуют о том, что исследуемые нанокомпозиты уже в ближайшее время станут неотъемлемой элементной базой для создания таких устройств, как транзисторы, биосенсоры, а также будут выступать в роли радиопоглощающих материалов и накопителей.
Достигнуть желаемого эффекта удалось благодаря особой технике лазерной «сварки», посредством которой учёные разработали гибридные сети на основе графена и углеродных нанотрубок. Спектр применения технологии широк, в том числе и в медицине. Такой материал может сделать более точной и быстрой работу биоэлекронных устройств, в частности слуховых аппаратов, умных часов и разнообразных медицинских датчиков. Материал также позволит серьёзно ускорить зарядку и продлить время работы электромобилей и другой техники.
Текст: Тамара Корнева
Фото: Виктория Викторова
Материалы других СМИ по этой теме:
РИА Новости: В России создали гибридные сети из углерода для улучшения работы нано- и биоэлектроники
ТАСС: Новый материал для электромобилей и гибкой электроники создали в России
Газета.ру: Учёные улучшили биоэлектронику гибридными сетями из углерода
Открытая наука: Гибридные сети из углерода сделают нано- и биоэлектронику надёжнее и быстрее