Пресс-центр
Последние события и самая актуальная информация о деятельности Фонда инфраструктурных и образовательных программ.
30 апреля 2019

Функциональные наноматериалы. Инженер Иван Комаров об устройстве биосенсоров, материалах с памятью формы и новых применениях наноматериалов

Что такое композиционные материалы? Как значительно улучшить свойства ткани или металла? Как создают новые материалы? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (Группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

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
Опубликовано: 29 апреля 2019
Автор: Иван Комаров, к.т.н., ведущий инженер лаборатории преформинга МИЦ «Композиты России», МГТУ им. Н. Э. Баумана