Исследование влияния линейно-цепочечного углерода на свойства металл-оксидных систем

КОКШИНА А.В., ЧГУ, г. Чебоксары

Науч. рук. канд. техн. наук, профессор КОЧАКОВ В.Д.

Проблема получения и исследования свойств металлоуглеродных пленок, полученных при взаимодействии некарбидообразующих металлов с углеродом, в настоящее время является малоизученной. Тем не менее, в последнее время ведется активное изучение свойств тонких пленок оксидов металлов, в том числе в соединении с другими элементами, для применения их в качестве прозрачных проводящих покрытий в солнечных батареях.

Одной из современных областей, где активно внедряются тонкопленочные технологии, является солнечная энергетика. В данной области получили применение так называемые прозрачные проводящие покрытия, которые представляют собой различные тонкопленочные материалы (полупроводниковые оксиды металлов, полимеры, углеродные структуры), обладающие высокой электропроводностью и хорошей оптической прозрачностью. Пленки прозрачных проводящих оксидов представляют большой научно-технический интерес благодаря высокой электрической проводимости и достаточно высокому коэффициенту пропускания в видимой области спектра. Данное исследование было направлено на изучение свойств оксидов таких металлов, как кадмий (Cd), олово (Sn) и цинк (Zn), а также на изучение их взаимодействия с углеродом в состоянии sp-1 (линейно-цепочечный углерод, ЛЦУ).

Пленки ЛЦУ представляют собой двумерную упорядоченную структуру, состоящую из цепочек углеродных атомов, объединенных sp-1-гибридизацией. Вдоль цепочек углерода проводимость пленки металлическая, а отсутствие связи между цепочками делает пленку в поперечном направлении диэлектриком.

В ходе работы было проведено исследование структурных, электрофизических и оптических свойств тонкопленочных систем оксид металла – ЛЦУ. Полученные тонкие пленки обладают полупровод-никовыми свойствами и высокой прозрачностью в видимой области спектра. Проведенные эксперименты показывают, что при отжиге исследуемых систем происходят глубокие изменения в структуре пленок. Экспериментально был зафиксирован факт увеличения прозрачности пространственно разделенных углеродных и металлических пленок после термообработки. Существенно изменялись электрофизические параметры. Исследования, проведенные с многослойными пленками, привели к синтезу пленочных материалов с полупроводниковыми свойствами. Были получены многослойные пленки с диодными характеристиками.

Наличие у данных пленок прозрачности и проводимости говорит о перспективности их применения в качестве прозрачных электродов в фотоэлектрических преобразователях, солнечных элементах и других оптоэлектронных устройствах.

Исследование выполнено в рамках стипендии Президента РФ для молодых ученых и аспирантов СП-2698.2015.1.

УДК 544.774

Углеродные нанотрубки в растворах природных полисахаридов

МАКАРОВА А.О., КГЭУ, г. Казань; ФАЙЗУЛЛИН Д.А., КИББ КазНЦ РАН, г. Казань

Науч. рук. канд. физ.-мат. наук, профессор ЗУЕВА О.С.

Добавление малых количеств углеродных нанотрубок приводит к существенному изменению эксплуатационных характеристик функциональных материалов. В наших предыдущих работах [1, 2] было показано, что за счет разных видов самоорганизации молекул поверхностно-активных веществ [3–5], используемых для диспергирования углеродных нанотрубок, их локальное окружение в значительной степени изменяется, приводя к изменениям их внутренних электрофизических свойств. Более того, изучение вязкости жидких многокомпонентных систем, содержащих нанотрубки и другие наноструктурные образования [6–8], говорит о появлении в рассматриваемых системах надмолекулярной структуры, зависящей от концентрации наночастиц в данной среде. Все эти факторы должны быть учтены при использовании нанотрубок в качестве добавок в композиционные материалы.

Использование углеродных нанотрубок считается очень перспективным при создании усовершенствованных биополимерных нанокомпозитов с измененными электротехническими, механическими и тепловыми свойствами для биосенсоров, искусственных тканей, средств адресной доставки лекарств и других медицинских наноматериалов для диагностических и терапевтических применений. Однако известно, что углеродные нанотрубки являются не характерными для живой природы и к тому же биологически неразлагаемыми веществами и поэтому могут представлять угрозу для живых организмов. Чтобы сделать этот материал биологически совместимым и предусмотреть токсические эффекты, разрабатываются различные подходы, связанные с функционализацией их поверхностей.

Целью данной работы явилось исследование возможностей функционализации поверхностей углеродных нанотрубок с помощью веществ растительного или животного происхождения. В последние годы в биотехнологических процессах и для конструирования различных фармакологических матриц активно используют белки и полисахариды, являющиеся основными компонентами пищи, определяющими ее структуру и органолептические качества. Перспективными материалами являются такие полисахариды растительного происхождения, как κ-каррагинан и альгинат натрия. В водных растворах макромолекулы полисахаридов образуют полиэлектролитные комплексы, связываясь друг с другом благодаря электростатическим связям между заряженными группами полисахарида. Структурообразующие свойства полисахаридов используются при разработке технологий средств хранения и адресной доставки лекарственных веществ в живой организм. Сочетание уникальных свойств углеродных нанотрубок и универсальность и биосовместимость полисахаридов, применяемых для создания внешней оболочки комплексов, позволяет предполагать возможность их потенциальных применений для различных химических и биологических приложений.

Нами исследованы особенности структуры, оптические свойства в инфракрасном диапазоне и вязкость суспензий многостенных углеродных нанотрубок из углеродного наноматериала «Таунит» в растворах и гелях к-каррагинана и альгината натрия. Исследование структур, имеющихся в водных растворах альгината натрия и к-каррагинана в присутствии углеродных нанотрубок, проводилось на автоэмиссионном сканирующем электронном микроскопе. ИК-спектры водных дисперсий регистрировали на приборе IRAffinity1 (Shimadzu), на приставке НПВО с кристаллом ZnSe*3, разрешение 8.0 cm^–1, число накоплений 256 при 25 °С. ИК-спектры прописывали сразу после нанесения раствора на кристалл и в течение 15 минут инкубации. Значения кинематической вязкости 1 %-х водных растворов альгината натрия и -каррагинана в присутствии углеродных нанотрубок и без них в диапазоне температур от 20 до 50 °С получены с помощью вискозиметра Энглера ВУ-М-ПХП.

Было установлено изменение макроскопической текстуры полисахаридных гелей, особенно явное для гелей -каррагинана. Исследование температурной зависимости вязкости водных растворов альгината натрия и к-каррагинана показало наличие надмолекулярных структурных образований, связанных с углеродными нанотрубками. Полученные результаты будут использованы для целенаправленного приготовления наиболее подходящих сред для диспергирования углеродных нанотрубок и модификации их поверхностей. Кроме того, учитывая тот факт, что полисахариды являются прекурсорами биотоплива, полученные результаты могут быть интересны и для оптимизации свойств углеводородного топлива.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, гранты № 16-08-00731-а (Макарова А.И.) и № 15-29-01239-офи_м (Файзуллин Д.А.).

Литература

1. Зуева О.С. и др. // Изв. АН. Сер. химическая. – 2016. – № 5. – С. 1208.

2. Borovskaya A.O., et al. // J. Phys. Conf. Ser. – 2016. – Vol. 690, № 012030.

3. Губайдуллин А.Т. и др. // Изв. АН. Сер. химическая. – 2016. – № 1. – С. 158.

4. Зуева О.С. и др. // Изв. Уфим. НЦ РАН. – 2014. – № 3. – С. 37.

5. Богданова Л.Р. и др. // Бутлеров. сообщения. – 2013. – Т. 35, № 8. – С. 74.

6. Зверева Э.Р. и др. // ХТТМ. – 2016. – № 5(597). – С. 15.

7. Zvereva E.R., et al. // Materials Science Forum. – 2016. – Vol. 870. – P. 666.

8. Zvereva E.R., et al. // IJРТ. – 2016. – Vol. 8(4). – Р. 26744–26752.

УДК 544.774