Углеродные нанотрубки используются в различных областях, в том числе при создании композитных материалов, биодатчиков, наноэлектронных цепей и мембран.

 Несмотря на то, что они доказали свою полезность в этих сферах, никто не знает в точности, что происходит на молекулярном уровне. Например, как нанотрубки и химические функциональные группы взаимодействуют друг с другом на атомном уровне? Ответ на этот вопрос позволит внести усовершенствования в будущие наноустройства.
Пытаясь найти ответ, исследователи впервые смогли изучить конкретный процесс взаимодействия отдельной функциональной группы с углеродными нанотрубками, используя при этом химическую силовую микроскопию – нанотехнологию, которая измеряет силы взаимодействия при помощи крошечных пружинных датчиков. Функциональные группы представляют собой наименьшие обособленные группы атомов внутри молекулы, которые определяют характерные химические реакции этой молекулы.
Недавний отчет группы исследователей из Ливерморской Национальной Лаборатории имени Лоуренса и их коллег раскрыл тот факт, что сила взаимодействия не следует традиционным тенденциям, заключающимся в увеличении полярности или отталкивании воды. Вместо этого она зависит от сложных электронных взаимодействий, происходящих между нанотрубкой и функциональной группой.
«Эта работа открывает новые горизонты перед химической силовой микроскопией» - сказал Александр Ной, ведущий автор работы, опубликованной в онлайн версии журнала Nature Nanotechnology от 14 октября.
Понимание процессов взаимодействия между углеродными нанотрубками (УНТ) и отдельными химическими функциональными группами необходимо для разработки будущих поколений датчиков и наноустройств, которые будут основываться на мономолекулярном соединении компонентов. Углеродные нанотрубки чрезвычайно малы, что значительно осложняет измерение адгезионной силы одной молекулы на поверхности углеродной нанотрубки. В прошлом исследователям приходилось полагаться на моделирование, косвенные измерения и крупные испытания на микроуровне.
Однако группа из Ливерморской Лаборатории пошла дальше и на уровень ниже, чтобы получить более точное измерение. Ученые сумели получить истинное взаимодействие одной функциональной группы, снизив контактную зону нанотрубки-зонда до площади около 1.3 нанометра (один миллион нанометров равен одному миллиметру).
Графики адгезионной силы показали, что силы взаимодействия значительно различаются в зависимости от функции. Чтобы понять эти измерения, исследователи совместно работали с группой специалистов по вычислительной химии, которые осуществили неэмпирические симуляции взаимодействий функциональных групп с боковой стенкой зигзагообразной углеродной нанотрубки. Расчеты показали, что сила взаимодействия сильно зависит от электронной структуры вступающей во взаимодействие молекулы / УНТ-системы. Исследователи были довольны, обнаружив, что вычисленные силы взаимодействия в точности соответствовали результатам экспериментов.
«Впервые мы сумели провести прямое сравнение между экспериментальным измерением взаимодействия и неэмпирическим расчетом для реальной системы материалов» - говорит Ной. «В прошлом всегда существовало некоторое расхождение между результатами экспериментов и вычислительных методов. Мы рады, что сумели его устранить».
Данное исследование открывает новые возможности для материаловедения на наноуровне.
Возможность измерять взаимодействия на уровне отдельной функциональной группы может устранить большую часть работы, основанной на предположениях, во время проектирования новых нанокомпозитных материалов, нанодатчиков или молекулярных сборок, что в свою очередь может способствовать созданию в будущем более качественных и прочных материалов, а также более чувствительных устройств и датчиков.
В Ливерморскую группу также входят: Рэймонд Фриддл, Мельбурн Лемье и Александр Артюхин.
Ливерморская Национальная Лаборатория имени Лоуренса была основана в 1952 году. Она занимается вопросами обеспечения национальной безопасности, и цель ее деятельности заключается в обеспечении национальной безопасности и применении науки и технологии для решения важных проблем современного мира. Ливерморская Национальная Лаборатория имени Лоуренса управляется компанией Lawrence Livermore National Security, LLC от имени Национального Управления по Обеспечению Ядерной Безопасности, входящего в структуру Министерства Энергетики США.

Источник:
www.newchemistry.ru