Сибирские ученые совместно с иностранными коллегами рассчитали, какие параметры влияют на силу взаимодействия углеродных нанотрубок с фталоцианинами – сложными азотсодержащими соединениями. Гибридные конструкции на их основе можно использовать в качестве новых материалов для создания солнечных батарей, сенсоров и оптических приборов. Работа опубликована в журнале Applied Surface Science.

Многие новые материалы для фотоэлектрических устройств сочетают в себе неорганическую и органическую составляющие. В качестве первой могут выступать углеродные нанотрубки – полые цилиндры, стенки которых состоят из сети шестиугольников с атомами углерода на вершинах. Органической частью могут быть гетероциклические соединения, такие как фталоцианины. Эти вещества из нескольких углеродных колец, связанных с атомами азота, способны образовывать комплексы с металлами. Сочетание двух компонентов неслучайно: циклические молекулы отдают электроны, а углеродные наноструктуры их принимают. В результате эти постоянные переходы и обеспечивают прохождение электрического тока в фотоэлектрическом материале.

«Одной из проблем таких гибридов является малая прочность химической связи органической и неорганической частей. В результате фталоцианины становятся достаточно подвижными на поверхности углеродных нанотрубок. Это неблагоприятный фактор, поскольку в таком случае мы не можем считать, что материал во всем своем объеме обладает одинаковыми свойствами», – рассказывает один из авторов работы Павел Краснов, научный сотрудник Сибирского федерального университета.

В своей работе группа ученых рассмотрела зависимость прочности соединения нанотрубок с фталоцианинами от ряда параметров: диаметра и формы углеродной наноконструкции, природы металла в комплексе с органическим компонентом и прочее. В ходе квантово-механического моделирования исследователи установили, какие параметры и как нужно изменить, чтобы соединение нанотрубок и фталоцианина стало наиболее прочным.

Так, химики выяснили, что для прочности таких соединений важно расположение молекулы фталоцианина относительно трубки. Наиболее сильное взаимодействие ученые наблюдали, когда крестообразная органическая молекула «обхватывала» цилиндр наподобие ленивца на толстой ветке.

Важную роль играет и тип металла в комплексе с фталоцианином: в ряду кобальт-цинк-медь сила взаимодействия убывает. Еще одна интересная зависимость наблюдалась для ориентации сети шестиугольников трубки и ее размеров. Для нанотрубок диаметром менее 10,5 Å (ангстрем – 10^–10 м) наиболее прочное взаимодействие характерно для ориентации «кресло». При этом соединения шестиугольников сети, перпендикулярные оси трубки, имеют одноименную форму. В случае большего диаметра преимущество остается за «зигзагом» (соединения ячеек стенки трубки образуют зигзаги).

«Выясненные закономерности позволят целенаправленно создавать гибридные наноструктуры с наибольшей прочностью связывания между углеродными нанотрубками и фталоцианинами. В качестве материалов они найдут применение во многих областях, но основное их назначение – фотоэлектроника», – заключает Павел Краснов.

Работа выполнена сотрудниками Сибирского федерального университета совместно с коллегами из Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева, Института неорганической химии имени А.В. Николаева СО РАН, Новосибирского государственного университета и Университета Шеффилд Холлэм (Великобритания).