Международная команда учёных, среди которых специалисты лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» НИТУ «МИСиС», показала, что графен можно использовать как сенсор для определения тяжёлых металлов. Статья об исследовании опубликована в журнале Scientific Reports.
Изучение свойств графена стало отдельной областью науки. К сожалению, до сих пор не разработаны технологии, которые позволили бы использовать графен, например, в электронике. Материал надлежащей чистоты крайне трудно получить в достаточных количествах (мы писали об экспериментах, которые приближают появление искомой технологии — см. «Взрывной метод производства графена»).
Графен крайне просто «испортить» — любое препятствие на пути электронов, атомы металлов или дефекты в кристаллической решётке графена существенно уменьшают длину свободного пробега электронов, что меняет свойства материала. Однако этот недостаток можно превратить в преимущество: графен может быть использован как сенсор. Такой сенсор может быть очень маленьким — «наноточкой» из 30-50 атомов углерода, собранных в графеновую структуру.
Прежде чем создавать такие сенсоры, материал надо «откалибровать» — добиться фундаментального понимания того, как графен взаимодействует с тем или иным элементом.
«Основа любой научной работы — теория, а для теоретика важна возможность моделирования максимального числа вариантов, а также оперативного и корректного исключения заведомо ложных данных, — поясняет ректор НИТУ «МИСиС» Алевтина Черникова. — Высокие технологии и большие вычислительные мощности позволяют существенно сократить период разработки решений. В 2014 году в НИТУ «МИСиС» была создана лаборатория моделирования и разработки новых материалов, которую возглавил профессор Игорь Абрикосов. Используя возможности суперкомпьютерного кластера Cherry, научный коллектив лаборатории сокращает период разработки востребованных решений в области материаловедения».
В научную группу вошли учёные из НИТУ «МИСиС» (Россия), Линчёпингского университета (швед. Linköpings universitet, Швеция), Института проблем материаловедения имени Францевича НАНУ (Украина) и Тринити колледжа (ирл. Coláiste na Tríonóide, англ. Trinity College, Ирландия). Требовалось просчитать, как меняются свойства графена при осаждении на него ионов и атомов некоторых тяжёлых металлов — кадмия, свинца и ртути.
«Выбор металлов обусловлен тем, что это одни из наиболее ядовитых примесей, какие только имеются в воде, и возможность быстрого и аккуратного их детектирования — весьма актуальная задача», — поясняет один из авторов работы, руководитель лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» НИТУ «МИСиС» и профессор Линчёпингского университета Игорь Абрикосов.
В качестве модельного графена использовался материал, который получают в Линчёпингском университете (профессор этого университета и соавтор работы Розица Якимова (Rositsa Yakimova) — мировой лидер в области получения сверхчистого графена). Он получается при нагревании карбида кремния. При достижении определённой температуры атомы кремния улетучиваются, но атомы углерода остаются, и в нужной конфигурации.
При помощи разработанных авторами работы методов квантово-механических расчётов и суперкомпьютеров НИТУ «МИСиС» и Линчёпингского университета учёные оценили, как ртуть, кадмий и свинец, осаждаясь на небольшие пластинки графена (так называемые «квантовые точки»), а также на сплошную поверхность этого двумерного материала, меняют его проводимость. Также исследователи вычислили, насколько хорошо означенные элементы притягиваются к графену и как они мигрируют по его поверхности — эти параметры важны для понимания того, можно ли сделать сенсор на основе графена многоразовым.
«Одним из самых интересных результатов стало то, что у графена при осаждении на него каждого из трёх ионов тяжёлых металлов смещается спектр поглощения из ультрафиолетового в видимый (а в ряде случаев даже в инфракрасный) диапазон. Причём, по тому, как смещается спектр, сразу видно, какой именно элемент осел. Это идеальное условие для того, чтобы использовать графен в качестве сенсора», — подчеркнул профессор Абрикосов.
Для каждого элемента и для каждой его концентрации можно выстроить градуировочную шкалу. Приборы, фиксирующие полосы поглощения, разработаны и доступны, так что с фиксацией изменений в спектре проблем не возникнет.
В ходе работы исследователи вычислили ряд параметров взаимодействия тяжёлых металлов с графеном — энергии адсорбции, диффузионные и миграционные барьеры.
Как подчеркнул профессор Абрикосов, даже при современных мощностях суперкомпьютеров работа по непосредственному обсчёту взаимодействия трёх тяжёлых металлов с графеном и графеновыми точками заняла около полугода. Но следующий этап работы ещё более трудоёмкий — нужно изучить одновременное осаждение на графен атомов различных элементов.
