Ученые создали сенсор из графена, позволяющий определять тяжелые металлы
Команда ведущих мировых ученых из НИТУ "МИСиС", Университета Линчёпинга (Швеция), Института проблем материаловедения имени Францевича НАНУ (Украина) и Тринити колледжа (Ирландия) выяснила, как можно использовать графен в качестве сенсора на тяжелые металлы. Статья с результатами работы опубликована в журнале группы Nature — Scientific Reports.
Открытие первого в мире двумерного материала — графена — инициировало появление огромной области науки, связанной с его изучением. Графен отличается от других веществ тем, что длина свободного пробега электронов в нем очень высока. Поэтому ученые очень надеются использовать данный материал в электронике.
Однако на пути применения графена в электронике встала проблема: любое препятствие на пути электронов — атомы металлов или дефекты в кристаллической решетке — существенно уменьшает длину свободного пробега электронов и меняет свойства материала. Если для Нобелевской премии было достаточно отслоить пластинку графена от графитового стержня при помощи клейкой ленты, то для промышленного использования графена нужны намного более аккуратные технологии, обеспечивающие воспроизводимость результатов. Поэтому чистота материала играет критическую роль.
Получить образцы графена, которые можно было бы применить в электронике, ученые пока не смогли. Однако додумались, как превратить недостаток в преимущество: графен может быть использован как сенсор! И тут на первый план по важности в применении выходят миниатюрные размеры такого сенсора. Дело в том, что даже кусочек из 30-50 атомов углерода, собранный в графеновую структуру (или в так называемую наноточку), может работать как сенсор. А это создает очевидные конкурентные преимущества по сравнению с другими типами датчиков.
Но прежде чем создавать такой суперсенсор, материал надо "откалибровать", то есть добиться фундаментального понимания того, как графен взаимодействует с тем или иным элементом. Поэтому международная команда ученых решила просчитать, как меняются свойства графена при осаждении на него ионов и атомов некоторых тяжелых металлов: кадмия, свинца и ртути.
"Выбор металлов обусловлен тем, что они образуют наиболее ядовитые примеси, какие только имеются в воде. 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 был выбрал сверхчистый графен, который "добывают" в Университете Линчёпинга, — он получается при нагревании карбида кремния. При достижении определенной температуры атомы кремния улетучиваются, а атомы углерода остаются в нужной конфигурации.
При помощи разработанных авторами работы методов квантово-механических расчетов, а также суперкомпьютеров НИТУ "МИСиС" и Университета Линчёпинга ученые оценили, как ртуть, кадмий и свинец, осаждаясь на небольшие пластинки графена, меняют его проводимость. Также исследователи вычислили, насколько хорошо означенные элементы притягиваются к графену и как они мигрируют по его поверхности (эти параметры важны для фундаментального 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 трех ионов тяжелых металлов видно, как смещается спектр поглощения, из чего можно сделать вывод, 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 такую градуировочную шкалу. Приборы, фиксирующие полосы поглощения, давно разработаны, так что с фиксацией изменений в спектре проблем не возникнет".
Также исследователи вычислили ряд важнейших параметров взаимодействия тяжелых металлов с графеном — энергии адсорбции, диффузионные и миграционные барьеры, то есть дана очень хорошая фундаментальная характеристика взаимодействия этих элементов с графеном, которая станет основой для дальнейших работ экспериментаторов и инженеров при непосредственном конструировании датчиков.