Владимир Павельев и сенсоры на углеродных нанотрубках

Специалисты кафедры наноинженерии Самарского университета совместно с индийскими коллегами четвертый год активно работают над разработкой методов синтеза и функционализации углеродных нанотрубок (нанотубуленов), а также над созданием миниатюрных сенсоров на их основе.

Углеродные нанотрубки — материал не новый, заговорили о нем еще в 1950-х годах, позднее интерес к нему проявлялся волнообразно, открывались все новые возможности для его внедрения. Сегодня эта область исследований вновь набирает популярность.

Углеродные нанотрубки обладают такими свойствами, которые делают их уникальным материалом для широкого спектра применений. Разработчики уверены, что развитие этого направления может помочь решить множество прикладных задач в разных областях науки и техники.

Что из себя представляет углеродная нанотрубка? Это свернутая в трубку атомная решетка, состоящая из шестиугольников, в узлах которой находятся атомы углерода. Диаметр такой трубки может составлять от 1 до нескольких десятков нанометров, а длина — несколько сантиметров (1 сантиметр = 10 млн нанометров). В Самарском университете делают углеродные нанотрубки размером от нескольких нанометров в диаметре и длиной 5 — 30 микрометров (1 сантиметр = 10 тысяч микрометров).

В зависимости от изменения параметров и условий синтеза варьируются физические, механические и химические свойства углеродных нанотрубок. Поэтому специалисты, учитывая конечные цели, наделяют их нужными характеристиками. Например, способностью проводить или не проводить электрический ток, впитывать или отталкивать воду, реагировать выборочно на определенные газы или вещества и другими. Кроме того, добавляя в исходное сырье углеродные нанотрубки, можно значительно снизить вес получаемого материала, при этом увеличить его прочность, повысить огнестойкость, теплопроводность, химическую и термическую устойчивость, улучшить механические характеристики. Технологии на основе углеродных нанотрубок могут быть использованы для широкого спектра областей.

— Кафедра наноинженерии занимается микросистемной техникой. В том числе микронаносенсорикой и микрооптикой, в частности на основе углеродных материалов — на алмазных пленках, — рассказывает доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой Владимир Павельев. — Здесь мы работаем с Институтом общей физики Российской академии наук, Институтом систем обработки изображений РАН, Институтом ядерной физики РАН.

Специальные нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в медицинских и биотехнологических целях. На кафедре создают миниатюрные высокочувствительные химические датчики для регистрации загрязнения атмосферы. Они сообщают о появлении в воздухе вредных газов, например оксида азота, аммиака, угарного газа и других.

— Была сложная задача — как сенсор на нанотрубках сделать селективным, то есть обнаруживающим то, что нужно. И как разработать технологию покрытия нанотрубок нужными веществами, чтобы сенсор не реагировал на все что есть, а только на то, что нужно. Эту задачу и решали. Можем делать датчики, реагирующие на присутствие нужного нам газа либо на изменение конкретной физической величины. Причем сенсоры получаются очень маленькими и дешевыми, — говорит Павельев.

Кроме того, на кафедре работают над созданием миниатюрных биологических датчиков. Они смогут регистрировать в воде и воздухе возбудителей инфекционных заболеваний, что может быть использовано в задачах экологической безопасности и санитарно-эпидемиологического контроля.

— Мы подбираем технологию синтеза углеродных нанотрубок таким образом, чтобы им можно было придавать определенную форму. Например, в виде пленки из трубок или нитей, расположенных между электродами датчика. Иногда требуется наносить слой углеродных нанотрубок на какие-либо поверхности, — говорит аспирант кафедры наноинженерии Максим Горшков. — Мы оптимизируем нанотрубки под работу газовых и биологических сенсоров. И они становятся чувствительными даже к единичным молекулам. Если говорить о медицине, то можно сделать, например, быстрые тест-полоски для анализа крови. Процедура при этом упрощается и ускоряется в разы. На датчике просто загорается лампочка — либо да, либо нет.

— Нанотрубки — это такая платформа, на основе которой можно создать широкий спектр сенсоров для различных приложений, — отмечает Павельев. — Есть уже результаты совместной работы с кафедрой химии нашего университета, где создают аналитические приборы в миниатюрном исполнении. В частности, газовый хроматограф, у которого сенсоры должны быть маленькие, чувствительные, дешевые. И всем этим требованиям как раз отвечают углеродные нанотрубки.

Специалисты считают, что благодаря уникальным проводящим свойствам углеродные нанотубулены в будущем могут стать основой для создания гибких микросхем и источников питания, в том числе для ультратонких планшетов и компактных смартфонов. На основе них можно изготовить легкий конструкционный материал, который может найти применение в машиностроении, авиастроении, производстве товаров народного потребления. Но и это далеко не все.

Для развития направления наноуглеродных трубок на кафедре организована лаборатория. Есть необходимое оборудование, включая реактор для синтеза нанотрубок, камеры для проведения исследований газовых сенсоров, сканирующий зондовый и электронный микроскопы для анализа полученных наноструктур.

— Мы открыты любому сотрудничеству со всеми, кому интересна эта область исследований, — отмечает завкафедрой.

Досье

Владимир Павельев. Доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой наноинженерии Самарского университета, директор Научнообразовательного центра нанотехнологий. Автор и соавтор более 100 научных публикаций.

Образование: Самарский государственный аэрокосмический университет (ныне Самарский университет).

* * *

— Нанотрубками мы начали заниматься с начала 2015 года, с коллегами из Индии из Jamia Millia Islamia University (Нью-Дели). У них очень хорошая лабораторная база, мощная школа в области наноматериалов. На тот момент мы достаточно долго занимались поликристаллическими алмазными пленками для оптических приложений и именно на почве общего интереса к углеродным наноматериалам начали общаться тогда по интернету с представителями этого университета. Общие интересы привели к развитию нашего сотрудничества, — рассказывает Владимир Павельев. — В то время для этого появилась отличная возможность благодаря участию нашего университета в федеральной программе "5-100" (госпрограмма повышения конкурентоспособности российских вузов на международном уровне. — Прим. ред.). Были поддержаны совместные проекты, программа способствовала развитию материальной базы. Мы пригласили специалиста из индийского университета к нам поработать, затем начались взаимные визиты и стажировки, и в итоге создали здесь свою лабораторию. Сейчас у нас работают пять сотрудников из Индии, двое из них — на дистанционных контрактах, они ведут занятия у наших магистрантов. Наши студенты регулярно проходят практику у них в Научно-образовательном центре нанотехнологий университета JMI.

Сейчас в области синтеза углеродных нанотрубок и создания сенсоров на их основе работает команда специалистов. Кроме Владимира Павельева в нее входят научные сотрудники — доктор Нишант Трипати, доктор Прабхаш Мишра и аспиранты кафедры Максим Горшков, Алена Горшкова, Мария Советкина, Сунил Кумар.
Источник: sgpress.ru