mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2016-3-204-209mateltech-239Research ArticleНаноматериалы и нанотехнологииNANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGYО сенсорной активности углеродных нанотрубок, модифицированных карбоксильной, аминной и нитрогруппами, в отношении щелочных металловComparison of sensor activity in carbon nanotubes modified with functional groupshttps://orcid.org/0000-0003-0813-6888БорознинаН. П.BorozninaN. P.

Борознина Наталья Павловна — кандидат физ.−мат. наук, доцент кафедры судебной экспертизы и физического материаловедения.

 

Natalya P. Boroznina — Cand. Sci. (Phys.−Math.),  Associated Professor.

polikarpova.natalya@volsu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9486-2482ЗапороцковаИ. В.ZaporotskovaI. V.

Запороцкова Ирина Владимировна — доктор физ.−мат. наук, профессор, директор института приоритетных технологий. 

Университетский просп., д. 100, Волгоград, 400062.

Irina V. Zaporotskova — Dr. Sci. (Phys.−Math.), Professor, Director of the Institute of Priority Technologies. 

100 Universitetskii Prospekt, Volgograd 400062.

irinazaporoskova@gmail.comВолгоградский государственный университет.РоссияVolgograd State University.Russian Federation201606032018193204209Copyright © Борознина Н.П., Запороцкова И.В., 20182018Борознина Н.П., Запороцкова И.В.Boroznina N.P., Zaporotskova I.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/239

Обобщены результаты теоретического изучения сенсорной активности наносистем на основе углеродной нанотрубки, модифицированной функциональной группой (карбоксильной, аминной, нитрогруппой) в отношении некоторых металлических атомов и ионов, выполненного с использованием полуэмпирической расчетной схемы MNDO и теории функционала плотности DFT. Рассмотрен механизм присоединения функциональных групп к открытой границе однослойных углеродных нанотруб типа zig−zag для образования химически активного сенсорного зонда на их основе и взаимодействие построенных таким образом зондов с атомами и ионами калия, натрия, лития. Проведен сравнительный анализ активности сенсорных наносистем в отношении выбранных элементов и сделан вывод о выборе наиболее предпочтительной функциональной группы для модифицирования углеродных нанотрубок, которые могут быть использованы в качестве сенсорных зондов для идентификации атомов и ионов калия, лития и натрия, в том числе присутствующих в солях и щелочах.

This article presents a theoretical study of sensor activity of nanosystems based on carbon nanotubes modified with functional groups (carboxyl, aminogen, nitrogroup) for some metal atoms and ions. Calculations have been performed within the frameworks of a molecular cluster model with the use of the semiempirical MNDO method and the density functional theory DFT. The mechanism of functional group binding to the open border of single−walled zig− zag carbon nanotubes leading to the formation of chemically active sensors on their basis has been investigated. Main geometric and electron energy characteristics of the resultant systems have been defined. Interaction of the sensors so synthesized with atoms and ions of some metals, e.g. potassium, sodium and lithium, has been analyzed.

углеродные нанотрубкисенсорные свойстваквантово−химические расчетыфункциональные группыщелочные металлыcarbon nanotubessensor propertiesquantum chemical calculationssemiconductingfunctional groupReferencesДьячков, П. Н. Электронные свойства и применение нанотрубок / П. Н. Дьячков. − М. : Бином. Лаборатория знаний, 2014. − 488 с.Dyachkov P. N. Elektronnye svoistva i primenenie nanotrubok [Electronic properties and application of carbon nanotubes]. Moscow: BINOM, 2014. 488 p. (In Russ.)Запороцкова, И. В. Строение, свойства и перспективы использования нанотубулярных материалов / И. В. Запороцкова // Нанотехника. − 2005. − № 4. − С. 42—54.Zaporotskaya I. V. Nanotube−based materials: structure, properties and applications. Nanotekhnika = Nanotechnics. 2005, no. 4, pp. 42—54. (In Russ.)Елецкий, А. В. Сорбционные свойства углеродных наноструктур / А .В. Елецкий // УФН. − 2004. −Т. 174, № 11. − С. 1191— 1231. DOI: 10.3367/UFNr.0174.200411c.1191Eletskii A. V. Sorption properties of carbon nanostructures. Physics−Uspekhi, 2004, vol. 47, no. 11, pp. 1119—1154. DOI: 10.1070/PU2004v047n11ABEH002017Ахмадишина, К. Ф. Гибкие биологические сенсоры на основе пленок углеродных нанотрубок / К. Ф. Ахмадишина, И. И. Бобринецкий, И. А. Комаров, А. М. Маловичко, В. К. Неволин, В. А. Петухов, А. В. Головин, А. О. Залевский // Российские нанотехнологии. − 2013. − Т. 8, № 11–12. − С. 35—39.Akhmadishina K. F., Bobrinetskii I. I., Komarov I. A., Malovichko A. M., Nevolin V. K., Petukhov V. A., Golovin A. V., Zalevskii A. O. Flexible biological sensors based on carbon nanotube films. Nanotechnologies in Russia, 2013, vol. 8, no. 11–12, pp. 721—726. DOI: 10.1134/S1995078013060025Sun, G. Electrochemical chlorine sensor with multi−walled carbon nanotubes as electrocatalysts / Gengzhi Sun, Shiwei Liu, Kaifeng Hua, Xiangyu Lv, Li Huang, Yujiang Wang // Electrochemistry Communications. − 2007. − V. 9, iss. 9. − P. 2436—2440. DOI: 10.1016/j.elecom.2007.07.015.Gengzhi Sun, Shiwei Liu, Kaifeng Hua, Xiangyu Lv, Li Huang, Yujiang Wang. Electrochemical chlorine sensor with multi−walled carbon nanotubes as electrocatalysts. Electrochemistry Communications, 2007. vol. 9, no. 9, pp. 2436—2440. DOI: 10.1016/j.elecom.2007.07.015Piloto, C. Room temperature gas sensing properties of ultrathin carbon nanotube films by surfactant−free dip coating / C. Piloto, F. Mirri, E. A. Bengio, M. Notarianni, B. Gupta, M. Shafiei, M. Pasquali, N. Motta // Sensors and Actuators B: Chemical. − 2016. − V. 227. − P. 128—134. DOI: 10.1016/j.snb.2015.12.051Piloto C., Mirri F., Bengio E. A., Notarianni M., Gupta B., Shafiei M., Pasquali M., Motta N. Room temperature gas sensing properties of ultrathin carbon nanotube films by surfactant−free dip coating. Sensors and Actuators B: Chemical, 2016, vol. 227, pp. 128— 134. DOI: 10.1016/j.snb.2015.12.051Chopra, S. Carbon−nanotube−based resonant−circuit sensor for ammonia / S. Chopra, A. Pham, J. Gaillard, A. Parker, A. M. Rao // Appl. Phys. Lett. − 2002. − V. 80, iss. 24. − P. 4632—4634. DOI: 10.1063/1.1486481Chopra S., Pham A., Gaillard J., Parker A., Rao A. M. Carbon− nanotube−based resonant−circuit sensor for ammonia. Appl. Phys. Lett., 2002, vol. 80, no. 24, pp. 4632—4634. DOI: 10.1063/1.1486481Ghosh, S. Carbon nanotube flow sensors / S. Ghosh, A. K. Sood, N. Kumar // Science. − 2003. − V. 299, iss. 5609. − P. 1042— 1044. DOI: 10.1126/science.1079080Ghosh S., Sood A. K., Kumar N. Carbon nanotube flow sensors. Science, 2003, vol. 299, no. 5609, pp. 1042—1044. DOI: 10.1126/science.1079080Kim, S. N. Carbon nanotubes for electronic and electrochemical detection of biomolecules / S. N. Kim, J. F. Rusling, F. Papadimi trakopoulos // Adv. Mater. − 2007. − V. 19, iss. 20. − P. 3214—3228. DOI: 10.1002/adma.200700665Kim S. N., Rusling J. F., Papadimitraopoulos F. Carbon nanotubes for electronic and electrochemical detection of biomolecules. Adv. Mater., 2007, vol. 19, no. 20, pp. 3214—3228. DOI: 10.1002/adma.200700665Cao, Q. Ultrathin films of single−walled carbon nanotubes for electronics and sensors: a review of fundamental and applied aspects / Q. Cao, J. A. Rogers // Adv. Mater. − 2009. − V. 21, iss. 1. − P. 29—53. DOI: 10.1002/adma.200801995Cao Q., Rogers J. A. Ultrathin films of single−walled carbon nanotubes for electronics and sensors: a review of fundamental and applied aspects. Adv. Mater., 2009, vol. 21, no. 1, pp. 29—53. DOI: 10.1002/adma.200801995Hsu, H.−L. The synthesis, characterization of oxidized multi−walled carbon nanotubes, and application to surface acoustic wave quartz crystal gas sensor / H.−L. Hsu, J.−M. Jehng, Y. Sung, L.−C. Wang, S.−R. Yang // Materials Chemistry and Physics. − 2008. − V. 109, iss. 1. − P. 148—155. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2007.11.006Hao−Lin Hsu, Jih−Mirn Jehng, Yuh Sung, Li−Chun Wang, Sang−Ren Yang. The synthesis, characterization of oxidized multi− walled carbon nanotubes, and application to surface acoustic wave quartz crystal gas sensor. Mater. Chem. Phys., 2008, vol. 109, no. 1. pp. 148—155. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2007.11.006Wong, S. S. Covalently functionalized nanotubes as nanometer−sized probes in chemistry and biology / S. S. Wong, E. Joselevich, A. T. Woolley, C. L. Cheung, C. M. Lieber // Nature. − 1998. − V. 394. − P. 52—55. DOI: 10.1038/27873Wong S. S., Josevlevich E., Wooley A. T., Cheung C. L., Lieber C. M. Covalently functionalized nanotubes as nanometer−sized probes in chemistry and biology. Nature. 1998, vol. 394, pp. 52—55. DOI: 10.1038/27873Tran, T. H. The gas sensing properties of single−walled carbon nanotubes deposited on an aminosilane monolayer / T. H. Tran, J.−W. Lee, K. Lee, Y. D. Lee, B.−K. Ju // Sensors and Actuators B: Chemical. − 2008. − V. 129, iss. 1. − P. 67—71. DOI: 10.1016/j.snb.2007.07.104Thu Hong Tran, Jin−Woo Lee, Kyongsoo Lee, Yang Doo Lee, Byeong−Kwon Ju. The gas sensing properties of single−walled carbon nanotubes deposited on an aminosilane monolayer. Sensors and Actuators B: Chemical, 2008, vol. 129, no. 1. pp. 67—71. DOI: 10.1016/j.snb.2007.07.104Zaporotskova, I. V. Sensor activity of carbon nanotubes with a boundary functional group / I. V. Zaporotskova, N. P. Polikarpova, D. E. Vil’keeva // Nanoscience and Nanotechnology Lett. − 2013. − V. 5, N 11. − P. 1169—1173. DOI: 10.1166/nnl.2013.1704Zaporotskova I. V., Polikarpova N. P., Vil’keeva D. E. Sensor activity of carbon nanotubes with a boundary functional group. Nanoscience and Nanotechnology Lett., 2013, vol. 5, no. 11, pр. 1169—1173. DOI: 10.1166/nnl.2013.1704Polikarpova, N. P. About using carbon nanotubes with amino group modification as sensors / N. P. Polikarpova, I. V. Zaporotskova, S. V. Boroznin, P. A. Zaporotskov // Ж. нано− электрон. физ. − 2015. − Т. 7, № 4. − C. 04089–1—04089–3. URL: http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/44562Polikarpova N. P., Zaporotskova I. V., Boroznin S. V., Zaporotskov P. A. About using carbon nanotubes with amino group modification as sensors. J. Nano− Electron. Phys., 2015, vol. 7, no. 4, pр. 04089–1—04089–3. URL: http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/44562Dewar, M. J. S. Ground states of molecules. 38. The MNDO method. Approximations and parameters / M. J. S. Dewar, W. Thiel // J. Amer. Chem. Soc. − 1977. − V. 99, N 15. − P. 4899—4907. DOI: 10.1021/ja00457a004Dewar M. J. S., Thiel W. Ground states of molecules. 38. The MNDO method. Approximations and parameters. J. Amer. Chem. Soc., 1977, vol. 99, no. 15, pp. 4899—4907. DOI: 10.1021/ja00457a004Dewar, M. J. S. A semiempirical model for the two−center repulsion integrals in the NDDO approximation / M. J. S. Dewar, W. Thiel // Theoret. Chim. Acta. − 1977. − V. 46, N 2. − P. 89—104. DOI: 10.1007/BF00548085Dewar M. J. S., Thiel W. A semiempirical model for the two−center repulsion integrals in the NDDO approximation. Theoret. Chem. Acta, 1977, vol. 46, no. 2, pp. 89—104. DOI: 10.1007/BF00548085Kohn, W. Nobel lecture: Electronic structure of matter− wave functions and density functionals / W. Kohn // Rev. Mod. Phys. − 1999. − V. 71, iss. 5. − P. 1253—1266. DOI: 10.1103/RevModPhys.71.1253Kohn W. Nobel lecture: Electronic structure of matter−wave functions and density functionals. Rev. Mod. Phys., 1999, vol. 71, no. 5, pp. 1253—1266. DOI: 10.1103/RevModPhys.71.1253Burke, K. Time−dependent density functional theory: past, present, and future / K. Burke, J. Werschnik, E. K. U. Gross // J. Chem. Phys. − 2005. − V. 123, iss. 6. − P. 062206—062214. DOI: 10.1063/1.1904586Burke K., Werschnik J., Gross E. K. U. Time−dependent density functional theory: past, present, and future. J. Chem. Phys., 2005, vol. 123, no. 6, pp. 062206—062214. DOI: 10.1063/1.1904586Jones, R. O. The density functional formalism, its applications and prospects / R. O. Jones, O. Gunnarsson // Rev. Mod. Phys. − 1989. − V. 61, iss. 3. − P. 689—746. DOI: 10.1103/RevModPhys.61.689Jones R. O., Gunnarsson O. The density functional formalism, its applications and prospects. Rev. Mod. Phys., 1989, vol. 61, no. 3, pp. 689—746. DOI: 10.1103/RevModPhys.61.689

The authors declare that there are no conflicts of interest present.