Индийский учёный N.Varghese и его коллеги провели опыт показывающий селективность взаимодействия молекул с поверхностью графенов и углеродных нанотрубок.

Как известно, присоединение функциональных групп к поверхности углеродной нанотрубки (УНТ) или графена сопровождается изменением электронной структуры объекта. Это обусловлено явлением передачи электронного заряда при образовании химической связи. В случае если передача заряда происходит от присоединенного радикала к гексагональной поверхности УНТ или графена, указанный радикал является донором, в противоположном случае он акцептор.

Влияние присоединенных радикалов на электронную структуру поверхности наноуглерода представляет двоякий интерес. С одной стороны, это явление открывает возможность направленного воздействия на электронные свойства рассматриваемых объектов, что в принципе позволяет получать полупроводниковые структуры с заданными электронными характеристиками. С другой стороны, указанное явление может быть положено в основу работы чувствительных миниатюрных сенсоров, электрические характеристики которых изменяются в результате присоединения молекул различного сорта.

Рис. 1. Формирование нанотрубок

Важным параметром, характеризующим взаимодействие присоединенных молекул с поверхностью, является энергия или теплота взаимодействия. В работе индийского учёного N.Varghese, выполненной недавно в Indian Institute of Science, (г. Бангалор, Индия) методом изотермического калориметрического титрования измерены теплоты реакции присоединения некоторых донорных и акцепторных молекул к графену и УНТ.

Использовали образцы графенов, полученные методами: термическим расслоением окисленного графита (EG), термическим разложением графита в дуговом разряде водорода (HG). Указанные образцы содержали 3–4 и 5–6 слоев и характеризовались величиной удельной поверхности ~1100 и ~400 м2/г, соответственно. Используемые в эксперименте однослойные УНТ получали в дуговом разряде с графитовыми электродами и очищали обработкой кислотой и водородом. Наряду с этим были синтезированы однослойные УНТ, обладающие преимущественно металлическими свойствами, для чего над катализатором Ni + Y2O3 пропускали насыщенный пентакарбонилом железа Fe(CO)5. поток гелия.

Для измерения теплот присоединения суспензию, содержащую графен или УНТ в толуоле (1 мг/мл), смешивали с 10 мкл раствора (концентрация 10 мМ) тетрацианоэтилена (TCNE), тетрацианохинодиметана (TCNQ), тетратиафульвалена (TTF) или N,N-диметил парафенилендиамина (DMPD) в толуоле.

Табл. 1. Измеренные величины теплоты реакции присоединения молекул к поверхности графена или нанотрубки, ккал/моль

Результаты измерений приведены в таблице. Значительные различия в величине этого параметра, характеризующего различные молекулы, указывает на селективный характер реакции присоединения исследуемых молекул к поверхности графенов и УНТ. Это подтверждает возможность использования графенов и УНТ в качестве чувствительных элементов сенсоров.