Графен лежит в основе самых передовых прикладных разработок, но и у него есть свои минусы, которые можно компенсировать за счет симбиоза с другими материалами. В поисках наилучших свойств ученые из МФТИ, ИОФ РАН и Тайваньского национального университета науки и технологий в рамках совместного проекта Российского научного фонда изучили взаимодействие графена и классических материалов. Изученные композиты интересны для очистки воды, оптоэлектроники, доставки лекарств, терапии рака, экологически чистой энергетики и защиты окружающей среды.
Результат исследования опубликован в Chemical Engineering Journal. Современная наука по-прежнему активно смешивает и тестирует новые материалы, а передовые образцы находят применение в самых различных отраслях нашей жизни. Так, в легком пористом композите металл-графена ученые равномерно распределили графеновые квантовые точки и наночастицы золота, синергизм которых обеспечил наилучшие свойства для одновременного мониторинга и очистки воды.
Отравление воды тяжелыми металлами вызывает долговременные и тяжелые заболевания. Печальную известность получили события в Японии, где в заливе Минамата в начале ХХ века был запущен химический завод, сбрасывавший промышленные отходы по каналу в морскую воду. Это вызвало отравление морских обитателей, местных жителей и домашних животных. Проведенный анализ показал, что в устье канала находятся частицы селена, таллия, марганца, меди, свинца и ртути.
Болезнь поражала центральную нервную систему, вызывая онемение, ухудшение зрения, речи и слуха, а в тяжелых случаях — летальный исход. К сожалению, это не единственный случай массового отравления ртутью, заставивший в результате обратить пристальное внимание на качество воды, особенно на наличие токсичных ионов тяжелых металлов Hg 2+ и Cr(VI), а это весьма непросто: они бесцветны, хорошо растворимы в воде и практически неуязвимы.
Сегодня эффективная очистка воды возможна с помощью мембранных фильтров из новых материалов, например из популярного графена. Однако у него есть один недостаток: отсутствует запрещенная зона — расстояние между зоной проводимости и валентной зоной. Это не позволяет электронам вернуться в основное состояние с высвечиванием избытка энергии. Материал не может люминесцировать, что необходимо для обнаружения тяжелых металлов в воде. Кстати, поэтому же графен не может стать полноценным материалом для оптоэлектроники, в отличие от кремния. У ученых давно возникло желание создать эту запрещенную зону, например за счет понижения размерности в материалах, созданных на основе графена: в углеродных нанотрубках (одномерный материал) или графеновых квантовых точках (0-мерный материал).
Квантовая точка — это субатомный фрагмент проводника, носителя заряда электрона. Создать их довольно нелегко даже из макроформ углерода, а уж тем более из двумерной структуры графена. Ученые из Тайваньского национального университета науки и технологий развили плазменную технологию и научились получать графеновые квантовые точки без использования токсичных химикатов и высоких температур (рисунки 1 и 2). Изучив их с помощью просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения, они убедились, что получили графеновые квантовые точки сферической формы с диаметром 4,6 и 6,3 нанометров. Осталось только исследовать их свойства.
«Мы полностью взяли на себя оптическую часть исследования характеристик графеновых квантовых точек. Методом резонансного комбинационного рассеяния света мы подтвердили, что точки — графеновые, и оценили их размер, а с помощью оптического поглощения света и фотолюминесценции точно определили величину запрещенной зоны»,
— сообщил Павел Федотов, старший научный сотрудник лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ.
«Знание точных характеристик материала позволило нам создать композит из квантовых точек и наночастиц золота и применить его в различных фильтрах, используемых как для очистки воды от примесей, так и для определения белков в крови. Белок связывается с наночастицами золота, и при возбуждении энергия передается на графеновые квантовые точки, которые эффективно люминесцируют, позволяя четко отслеживать их число и взаимодействие. Таким образом, квантовые точки работают как сенсоры, просто и эффективно»,
— рассказала о проекте Елена Образцова, руководитель лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.
