Алмазные наноленты из фторированных УНТ

Статья была опубликована в J. Phys. Chem. C.

В представленной работе мы описали новый тип одномерных наноматериалов, названных бислойными алмазоподобными нанолентами. Эти наноленты могут быть синтезированы путем фторирования одностенных углеродных нанотрубок - процесса, который включает в себя присоединение атомов фтора к структуре нанотрубки. При функционализации зигзагных или кресельных нанотрубок атомами фтора атомы углерода меняют гибридизацию с sp2 на sp3, в результате чего нанотрубка разрушается и в между её слоями образуются химические связи. Этот процесс в конечном итоге приводит к формированию бислойных алмазных нанотрубок - нового класса одномерных алмазоподобных структур.

Слева: процесс коллапсирования углеродной нанотрубки в бислойную алмазную ленту при воздействии фтора. Справа: нетипичная зависимость запрещённой зоны наноленты с разной структурой в зависимости от её ширины

Запрещённая зона этих наноструктур слабо зависит от их ширины и в большой степени определяется их морфологией. Однако нановолокна, содержащие 8-членное кольцо, демонстрируют особое поведение: электроны из кольца создают дополнительное состояние на краю зоны проводимости, что значительно уменьшает запрещённую зону структуры.

Механическая жесткость наноструктур высока и сравнима с графеном и углеродными нанотрубками. Такая прочность делает их идеальными кандидатами для использования в композитах, где они могут служить жестким и прочным материалом-наполнителем. Высокая жесткость и уникальные электронные свойства бислойных алмазоподобных нанонитей также могут сделать их пригодными для применения в наномеханике и накопителях энергии, например, в НЭМС (наноэлектромеханические системы).

Эти результаты могут послужить стимулом для дальнейших экспериментальных и теоретических исследований в области формирования алмазоподобных нанолент из углеродных нанотрубок. Открытие бислойных алмазоподобных нанотрубок открывает новый потенциал для создания передовых материалов с уникальными электронными, механическими и оптическими свойствами. По мере того как исследователи будут продолжать изучать эти новые наноматериалы, мы можем ожидать появления интересных применений в различных областях, от электроники и хранения энергии до композитов и наномеханики.

Резистивное переключение в биграфене/диамане

Работа была опубликована в Nanomaterials.

В данной работе мы изучили поведение переключения напряжения у двухмерной композитной структуры, состоящей из биграфена и диамана (2D алмаз). Мы наблюдали локальное алмазообразование биграфена на подложке La3Ga5SiO14 под фокусированным электронным лучом. КР спектроскопия показала, что в облучённых областях плотность sp3-гибридизованного углерода выше. Характеристики напряжения-тока биграфена до и после переключения напряжения, вызванного электронным лучом, показали значительное повышение сопротивления при формировании структуры диамана.

Кроме того, мы изучали поведение переключения напряжения у наноструктуры, состоящей из двух слоев графена, диамана и двухслойного графена. Подключение напряжением от -1 до 1 В и обратно приводит к переключению напряжения от высокого сопротивления состояния к низкому сопротивлению и обратно. Это переключение напряжения связано с миграцией водорода и/или кислородных групп.

В теоретической части работы мы исследовали влияние электрического поля на связь функциональных групп с поверхностью и общую устойчивость диаманового слоя. Для этого мы смоделировали гетероструктуру из биграфена и диамана, где диамановый слой стабилизируется кислородом в виде пероксидных групп от подложки лангасита с одной стороны и водородом, высвобождённых из полимера PMMA, с другой стороны. Эта модель представляет собой диамановую наноленту, в двухслойном графене. Устойчивость диаманового слоя тесно связана с прочности связей C-O и C-H. Наличие функциональных групп на поверхности слоя способствует его устойчивости, а их отделение может привести к разрыву слоя. Наше моделирование показало, что при наложении достаточно сильного электрического поля на наноструктуру из двух слоев графена и диамана, происходит миграция кислородных групп. Этот процесс приводит к разрыву sp3 связей углерода и разрушению структуры диамана. Изменение конфигурации связей углерода и разрушение структуры диамана играют ключевую роль в этом процессе, позволяя системе проявлять уникальные электрические свойства и проходить реверсивные переходы между состояниями с высоким и низким сопротивлением.

Результаты этого исследования подчеркивают потенциал использования структур из биграфена и диамана для приложений требующих переключение напряжения. Возможность контроля проводящих свойств через напряжение открывает возможности для разработки новых устройств памяти на основе мемисторов с повышенной производительностью. Более того, исследования могут быть направлены на оптимизацию процесса изготовления и интеграцию этих структур в практические устройства для различных приложений, включая энергоэффективную реализацию искусственного интеллекта и вычислительных систем.

Адсорбция рибофлавина на h-BN для доставки лекарств

Статья была опубликована в International Journal of Molecular Sciences.

В данной работе с помощью моделирования методом теории функционала плотности (DFT) проведено комплексное исследование процесса адсорбции рибофлавина (Rf) на гексагональном нитриде бора, как бездефектном, так и содержащим вакансии. Полученные результаты свидетельствуют о том, что молекула Rf подвергается физической адсорбции на поверхности носителя, при этом ее химическая структура практически не изменяется.

Наиболее устойчивой конфигурацией является параллельное расположение молекулы рибофлавина на поверхности h-BN с образованием π-π стэкинг-взаимодействий. Это подтверждается энергиями адсорбции, полученными для различных положений молекулы препарата. Молекулярные орбитали изоповерхности рибофлавина дают полное представление о характере связывания рибофлавина с h-BN на основе расположения HOMO и LUMO на изоаллоксазиновом участке.

Примечательно, что наличие вакансий азота существенно влияет на характеристики связывания, поскольку носители взаимодействуют с вакантными орбиталями рибофлавина. В результате рибофлавин превращается в акцептор электронов в системе BN(Nv)@Rf, притягивая электронную плотность примерно на 0,5 e-. Такое поведение резко контрастирует с взаимодействием, наблюдаемым в бездефектном h-BN и h-BN с вакансиями бора (BN(Bv)), см. рисунок.

Распределение разности плотности пространственного заряда в структурах (а) BN@Rf, (б) BN(Bv)@Rf и (в) BN(Nv)@Rf и соответствующих отдельных частей, вид сбоку и сверху. Потеря и прирост заряда обозначены синими и желтыми цветом, соответственно. Атомы бора, азота, углерода, кислорода и водорода обозначены зеленым, синим, черным, красным и голубым цветами, соответственно

Полученные результаты подтверждают потенциал h-BN как перспективного носителя для молекул рибофлавина, поскольку π-π связь, образующаяся между лекарством и носителем, обладает значительной прочностью, что создает прочную основу для систем доставки лекарств. Однако очень важно контролировать структурное совершенство h-BN, так как наличие вакансий может индуцировать зарядку рибофлавина.

Таким образом, проведенное нами исследование позволило получить новые сведения о стабильности и взаимодействии витамина B2 с гексагональным нитридом бора. Полученное комплексное представление об особенностях их связывания и влиянии дефектов расширяет потенциальные возможности по разработке и оптимизации систем доставки лекарственных препаратов на основе h-BN.