Одиннадцатиклассница из СУНЦ НГУ исследовала возможность контроля размера углеродных наноточек путем их включения в полости металл-органического каркаса
Углеродные наноточки — это частицы углерода, состоящие из кристалликов размером в несколько нанометров (в 10 000 раз тоньше волоса) со структурой, подобной структуре графита. Поверхность этих частиц покрыта химически связанными с ней полярными кислород- и азотсодержащими функциональными группами. Углеродные наноточки обладают рядом важных свойств: хорошо растворимы в воде, в растворенном состоянии способны ярко и стабильно светиться (люминесцировать) разными цветами под воздействием ультрафиолета, биосовместимы и безопасны для человека. Углеродные наноточки перспективны для использования в медицине, производстве дисплеев, создании светодиодов и сенсоров. Люминесцентные свойства углеродных наноточек зависят от их размера, поэтому чем более однородной по размерам будет полученная совокупность (ансамбль) наноточек, тем более чистым будет цвет ее свечения.
Возможность получения ансамблей углеродных наноточек с узким распределением частиц по размерам путем формирования их композита (прим. — это материал, составленный из двух разных компонентов, которые не растворяются друг в друге, а лишь соединяются вместе, например, как железобетон или стеклопластик) с пористым металл-органическим каркасом занималась ученица 11-6 класса Вероника Маркеева под руководством доцента кафедры химии СУНЦ НГУ Бориса Мороза и кандидата химических наук, старшего научного сотрудника лаборатории металл-органических координационных полимеров (МОКП) Института неорганической химии СО РАН, старшего преподавателя кафедры общей химии Факультета естественных наук НГУ Константина Коваленко.
В качестве матрицы для внедрения углеродных наноточек был выбран один из самых известных металл-органических полимеров — ZIF-8, состоящий из ионов цинка, связанных анионами 2-метилимидазола. Трехмерный каркас ZIF-8 содержит полости диаметром до 1,2 нанометра, подходящим для внедрения углеродных наноточек такого же или меньшего размера. Оказавшись запертыми внутри полостей, наноточки сохраняют свой начальный размер и благодаря этому могут люминесцировать даже в твердом состоянии.
— В десятом классе мне рассказали о таких частицах, как углеродные наноточки, они показались мне довольно занимательными. Когда после этого мне предложили выполнить такой проект, я согласилась, — рассказывает Вероника. — Мне очень нравится работать в лаборатории, поэтому часть работы, включающая синтез веществ, была для меня наиболее легкой и понятной. Образцы полученных материалов мы отдавали в Институт неорганической химии СО РАН для того, чтобы исследовать их различными физико-химическими методами. Спектры поглощения растворов углеродных наноточек и их композита с ZIF-8 я регистрировала сама в лаборатории СУНЦ НГУ. Там же записывались спектры пропускания твердых образцов в инфракрасной области. Изображения синтезированных мной углеродных наноточек с данными локального анализа их химического состава были получены на сканирующем электронном микроскопе в Новосибирском региональном центре выявления и поддержки одаренных детей «Альтаир» кандидатом химических наук Юрием Дубининым. Одним из самых сложных этапов был анализ полученных данных, и с этим мне помогали мои научные руководители. Выполняя проект, я значительно улучшила навыки работы в химической лаборатории, а также узнала много нового о методах анализа веществ.
Результатом работы стало получение композита углеродных наноточек с металл-органическим координационным полимером ZIF-8 — нового люминесцентного материала, который, как оказалось, обладает повышенной аналитической чувствительностью к ионам некоторых тяжелых металлов. Углеродные наноточки, выделенные из композита путем его разложения в соляной кислоте, были более однородными по размеру и имели меньший средний диаметр по сравнению с исходными наноточками, взятыми для приготовления композита.
— Мы пришли к выводу что, используя металл-органические каркасы в роли «сит», действительно можно получить водные дисперсии углеродных наноточек с узким распределением частиц по размеру. Но, к сожалению, такие системы неустойчивы к коагуляции – «слипанию» мелких частиц в более крупные с потерей изначальных полезных свойств. Поэтому хочу продолжить работать над этой проблемой уже в университете, чтобы, изучив эволюцию этих систем, понять, как предотвратить изменение размеров углеродных наноточек, выделенных из композита, в водных средах, — делится планами Вероника.
Результаты исследования Вероника Маркеева представила на 64-й Международной научной студенческой конференции в НГУ и была удостоена диплома 1 степени в подсекции «Физическая химия и материаловедение». Успешным стало и выступление на XXVI Международной научной конференции школьников «Колмогоровские чтения», где Вероника получила диплом 3 степени.
