Функциональные наноматериалы

Инженер Иван Комаров об устройстве биосенсоров, материалах с памятью формы и новых применениях наноматериалов
15.05.2019

На сегодняшний день не существует устоявшегося определения функциональных материалов. Можно сказать, что функциональный материал, помимо того что является частью конструкции, выполняет дополнительную функцию, более интересную, чем функция конструкционная. К таким материалам зачастую относят различные наноматериалы - их функциональность во многом требуется для создания как различных устройств, так и новых материалов в целом.

В качестве примера можно привести сплав никеля и титана, так называемый нитинол - материал с памятью формы, которому можно придать форму при термическом воздействии. Когда воздействие снимается, изменяется форма. Такой материал на сегодняшний день применяется в медицине для работы по терапии сосудов.

Высок интерес к функциональным наноматериалам. При переходе к микро- и наноразмерам у материалов появляются совершенно новые свойства, связанные с тем, что соотношение атомов на поверхности материала и в его объеме в случае наноматериалов может идти в пользу поверхности, а не объема. Благодаря этому материал может дать совершенно новые свойства, которые невозможно увидеть и предсказать в объеме, но которые будут полезны именно в форме наноматериала.

В последнее время интерес проявляется не к чистым материалам как таковым, а к различным их соединениям, не столько к сплавлению материалов, сколько к установлению между разнородными материалами на микро- и наноуровне определенных связей, дающих совершенно новый материал с новыми свойствами, которые не могут быть получены по отдельности для каждого из материалов.

Целенаправленно работать с наноматериалами стали после появления зондовых микроскопов в 1980-х годах. Эти устройства позволяют манипулировать отдельными структурными элементами на уровне молекул или атомов и визуализировать все, что получено. Благодаря этому ученые получили огромный объем новой информации и новых возможностей по созданию материалов.

Почему наноматериалы значительно отличаются от классических конструкционных материалов? Огромную роль в наноматериалах играет отношение количества поверхностных атомов к количеству атомов в объеме. В объемном материале количество поверхностных атомов по сравнению с основным объемом очень мало. Когда это количество сравнимо или, например, превышает, то есть количество поверхностных атомов превышает количество атомов в объеме, даже классический материал может получать совершенно новые свойства, которые другим путем достигнуты быть не могут. Благодаря тому, что накопился критический объем знаний и возможностей по целенаправленной манипуляции и заданию свойств материалов, мы можем пытаться с ними работать и разрабатывать новые материалы.

Тема, которую я разрабатываю, - биологический сенсор на основе восстановленного оксида графена. Графен представляет собой один атомарный слой углерода - лист из углерода толщиной в один атом. Этот материал сам по себе крайне интересен, так как обладает выдающимися свойствами по электрической проводимости, чрезвычайно прочный и теплопроводный. Однако есть проблема, как и с любым новым наноразмерным материалом: с ним довольно сложно работать. Основная проблема для применения графена заключается в том, что его запасы ограничены. Более того, то, что исследовали Новоселов и Гейм, - чешуйка, или флейк (flake), графена, и его размеры крайне малы. Размер такого флейка составляет порядка 500 микрометров, что по сравнению с дисплеем очень мало. Для дисплея нужна равномерная пленка площадью в десятки сантиметров. Тем методом, которым получили графен Новоселов и Гейм, получить такую большую пленку невозможно. Для этого разрабатывают другие методы переноса графена на подложку и создания на этой основе электронных устройств.

Оксид графена и восстановленный оксид графена замечательны тем, что на их основе можно создать макроразмерный проводник. В восстановленном оксиде графена присутствуют функциональные карбоксильные, карбонильные или эпоксидные группы, а к ним можно ковалентно пришивать другие вещества. Это означает, что у нас получается единый материал, который можно использовать не просто как проводник электричества, а как чувствительную область, обладающую, помимо электропроводности, еще чувствительностью к внешнему биологическому агенту. В зависимости от того, что на поверхности восстановленного оксида графена пришито к функциональным группам, можно снимать различный биологический сигнал. Эта идея и лежит в основе одного из вариантов биологического сенсора.

Биологические сенсоры могут выглядеть по-разному, в моем случае это просто проводник на гибкой подложке, закрытый сверху полимерной пленкой, в которой есть отверстие. В это отверстие можно нанести раствор с белками, на который нужно получить сигнал. Это аналог всем известного теста на глюкозу, который позволит детектировать не только глюкозу, но и различные заболевания или даже набор заболеваний.

К функциональным материалам относится класс электроактивных полимеров. Они представляют собой гибкий конденсатор, внутри которого есть ионопроводящая жидкость. При подаче на них электричества такой полимер может сгибаться в сторону, что дает возможность использовать его как актуатор, маленький двигатель. Это применяется в создании нано- или микророботов, для прецизионного перемещения инструментов, например, при исследовании клеток.

Функциональные композиционные материалы - развивающаяся область, но в ней уже многое достигнуто. В первую очередь нужно искать новые биомедицинские применения. Функциональные материалы - наноматериалы - будут применяться в различных электронных устройствах, в том числе персональных электронных устройствах, будет ли это смартфон или уже интегрированное с человеком устройство.

Наверняка будут работы по созданию функциональных материалов для защиты от излучения. В связи с желанием освоить близлежащие спутники и планеты потребуется лучшая защита от ионизирующего излучения в космосе. Она должна быть ко всему прочему легкой. Такие материалы будут использованы и сейчас используются для создания батарей, хранилищ энергии, для формирования изображений в дисплее.

Источник: ПостНаука

Смотрите другие наши материалы