РНФ №22-29-20317 «Исследование сорбционных свойств пленок Ленгмюра-Блоджетт на основе графена и его соединений акустоэлектронными методами для разработки датчика монооксида и диоксида углерода»
Руководитель: к.х.н. Горбачев И.А.
Целью проекта являлась разработка, формирование и исследование газочувствительных свойств гибридных пленок Ленгмюра-Блоджетт (ЛБ) графена и его соединений для исследования их сорбционных свойств и разработки акустоэлектронных сенсоров нового поколения угарного и углекислого газа на их основе.
Для достижения указанной цели в течении двух лет решались следующие задачи:
- Разработка технологии для формирования высокоупорядоченных газочувствительных ЛБ-пленок с модифицированным графеном и его соединениями и их перенос на твердые пьезоэлектрические подложки.
- Исследование структурных, морфологических и электрофизических свойств сенсорных покрытий на основе ЛБ-пленок с модифицированным графеном и его соединениями.
- Исследование сорбционных свойств сформированных пленок к монооксиду и диоксиду углерода с помощью акустоэлектронных технологий.
- Разработка, создание и исследование сенсорных свойств акустоэлектронного газового сенсора к угарному и углекислому газу.
Для выполнения этих задач были проведены следующие работы и получены следующие результаты:
- Исследован процесс формирования и переноса ЛБ-пленок графена и его соединений при различных условиях. Изучено влияния температуры субфазы на процесс формирования ленгмюровских мнослоев графена и оксида графена. Получены температурные зависимости модуля сжатия монослоев графена и оксида графена в диапазоне температур субфазы от 10 до 30°С. Максимальное значение модуля сжатия монослоев графена и оксида графена равно 1.91 мН/м и 1.18 мН/м при температурах 20°С и 30°С, соответственно. Получены зависимости модуля сжатия монослоя графена и оксида графена при изменении кислотности в диапазоне от 4 до 12. Максимальный модуль сжатия для монослоя графена (pH = 7) и оксида графена (pH=4) равен 1.91 мН/м и 0.99 мН/м, соответственно. Изменение pH в диапазоне от 4 до 12 приводит к монотонному уменьшению величины модуля сжатия монослоя оксида графена с 0.99 мН/м до 0.41 мН/м.
— Впервые продемонстрирована возможность управления свойствами ЛБ монослоев графена и оксида графена непосредственно в процессе их создания при помощи электрического поля. Наличие внешнего электрического поля приводит к уменьшению модуля сжатия монослоя графена с 2.1 мН/м до 1.3 мН/м и смещению изотермы сжатия в сторону больших площадей. Наличие электрического поля приводит к изменению модуля сжатия с 0.9 мН/м до 0.5 мН/м монослоя оксида графена.
— Изучен процесс формирования гибридных монослоев и пленок Ленгмюра-Блоджетт на основе графена, оксида графена и оксидных наночастиц. Получены зависимости модулей сжатия ленгмюровских монослоев графена, оксида графена и гидрофобных оксидных наночастиц. Для смешанного монослоя графена и оксида графена модуль сжатия увеличивается с 1.1 мН/м до 2.5 мН/м и с 1.6 мН/м до 2.5 мН/м, соответственно. Изучено влияние времени адсорбции гидрофильных наночастиц диоксида олова на свойства ленгмюровских монослоев оксида графена и графена. Адсорбции гидрофильных оксидных наночастиц монослоем графена в течении 90 минут приводит к уменьшению его модуля сжатия с 0.7 мН/м до 0.5 мН/м. Адсорбции гидрофильных оксидных наночастиц монослоем оксида графена приводит к увеличению его модуля сжатия с 1.6 мН/м до 2 мН/м.
— Исследованы структурные и морфологические свойства ЛБ-пленок графена и его соединений, полученных при различных условиях их формирования. Установлено, что наиболее эффективным способом управления морфологией пленок Ленгмюра-Блоджетт на основе графена является изменение температуры субфазы при формировании монослоя. Изменение температуры в диапазоне от 10 °С до 35 °С позволяет варьировать толщиной покрытия от 2.5 нм до 1.5 нм. Была изучена морфология тонких гибридных пленок графена и оксида графена, сенсибилизированных оксидными наночастицами. Наименьшей шероховатостью поверхности равной 5 нм обладала пленка на основе монослоя оксида графена и гидрофобных оксидных наночастиц с эквиобъемным соотношением компонентов. Увеличение доли оксидных наночастиц в монсолое приводило к увеличению шероховатости пленки до 15 нм. Гибридные пленки, полученные на основе графена и гидрофобных наночастиц олова, обладали шероховатостью в диапазоне от 2 нм до 5 нм. Адсорбция гидрофильных оксидных наночастиц монослоем оксида графена в течении 90 минут приводит к увеличению площади поверхности ЛБ пленки, полученной на его основе, на 5%.
— Исследована проводимость ЛБ пленок графена и оксида графена, полученных при различных условиях их формирования. Нагрев субфазы от 20 °С до 35 °С приводит к уменьшению проводимости пленки оксида графена с 0.9 нСм до 0.3 нСм. Охлаждение субфазы до 10 °С приводит к уменьшению проводимости до 0.5 нСм. Проводимость ЛБ пленок оксида графена при кислотности субфазы PH=4 и температуре субфазы 35С составляет 0.3 нСм и 0.7 нСм, соответственно.
- Получены тестовые образцы пьезокварцевых сенсоров, чувствительные к углекислому и угарному газу, на основе тонких гибридных сенсорных пленок графена, оксида графена и оксидных наночастиц металлов. Максимальной сорбционной емкостью, равной 47 нг/мкг, к углекислому газу обладают сенсорные покрытия из ЛБ пленок оксида графена и гидрофильных наночастиц диоксида олова. Максимальной сорбционной емкостью (67 нг/мкг) к угарному газу обладают покрытия из тонких гибридных пленок оксида графена и гидрофобных наночастиц диоксида олова. Покрытие из наночастиц оксида графена обладает сорбционной емкостью к угарному и углекислому газу 2 нг/мкг и 8 нг/мкг, соответственно. Минимальной сорбционной емкостью обладают покрытия, сформированные на основе графена и гибридной пленки на основе графена и гидрофобных наночастиц диоксида олова. Сорбционная емкость пленок на основе графена к углекислому и угарному газу составляет 4 нг/мкг и 6 нг/мкг, соответственно. Сорбционная емкость гибридной пленки на основе графена и гидрофобных наночастиц диоксида олова составляет 2 нг/мкг для обоих газов.
- Разработаны и созданы макеты акустоэлектронных сенсоров для детекции углекислого и угарного газов на основе линий задержки (ЛЗ) на пластине ниобата лития с сенсорным слоем из гибридных ЛБ пленок графена и оксида графена. Получены зависимости S21 параметров акустоэлектронных сенсоров от концентрации детектируемого газа в общем потоке пробы. Максимальным сенсорным откликом в 1.3 дБ на углекислый газ обладает сенсор на основе ЛБ пленки оксида графена. Сенсор с нанесенным сенсорным слоем из гибридной пленки оксида графена и гидрофобных наночастиц оксида олова обладает величиной сенсорного отклика равной 1.35 дБ. Максимальным фазовым откликом (2.9°) к углекислому газу обладает сенсорный слой, сформированный на основе пленки оксида графена. Слой из гибридной пленки оксида графена и гидрофобных наночастиц, обладает фазовым откликом 2.5°. Сенсорный слой на основе графена обладает амплитудным откликом в 0.5 дБ и фазовым откликом в 1.5°. Максимальным сенсорным откликом 2 дБ на угарный газ обладает ЛЗ с пленкой из оксида графена и гидрофобных наночастиц диоксида олова. Пленка из оксида графена обладает величиной сенсорного отклика 1.75 дБ. Максимальным фазовым откликом равным 4° к угарному газу обладает сенсорный слой, сформированный на основе пленки оксида графена. Слой, сформированный на основе гибридной пленки оксида графена и гидрофобных наночастиц, обладает фазовым откликом равным 3.8°. Сенсорный слой на основе графена обладает амплитудным откликом в 0.5 дБ и фазовым откликом в 2.5 °.
Поставленная цель проекта была достигнута. Все поставленные в проекте задачи были решены в полном объеме. Результаты, полученные в ходе выполнения задач проекта, были опубликованы в журналах, входящих в российские и международные базы цитирования (Sensors, RENSIT). Часть работ была выполнена при консультационном участии Болгарских коллег, работающих в области создания ЛБ пленок. Были разработаны, сформированы и исследованы газочувствительные свойства гибридных пленок Ленгмюра-Блоджетт графена и оксида графена. Исследованы их сорбционные свойства. Был разработан акустоэлектронный сенсор нового поколения для угарного и углекислого газа.
Публикации:
- I. Gorbachev, A. Smirnov, G. R. Ivanov, T. Venelinov, A. Amova, E. Datsuk, V. Anisimkin, I.
Kuznetsova, V. Kolesov // Langmuir–Blodgett Films with Immobilized Glucose Oxidase
Enzyme Molecules for Acoustic Glucose Sensor Application // Sensors 2023, 23, 5290.
https://doi.org/10.3390/s23115290 - Горбачев И.А., Смирнов А.В. // Биосенсор на основе пленки Ленгмюра-Блоджетт с
ферментом алкогольоксидазы //RENSIT/РЭНСИТ | 2023 | ТОМ 15 | НОМЕР 3 С.307-316 - Горбачев И.А., Смирнов А.В., Кузнецова И.Е., Колесов В.В. // Влияние температуры на
формирование ленгмюровских монослоев с наночастицами Ni-арахиновой кислоты и
кластерами Ni-арахидата // RENSIT/РЭНСИТ | 2023 | ТОМ 15 | НОМЕР 3 С.295-306 - Горбачев И.А., Колесов В.В. Сенсорное покрытие на основе липидного ленгмюровского
монослоя с молекулами фермента глюкозооксидазы получена, прошла рецензирование,
принята к печати и будет опубликована в журнале РЭНСИТ: Радиоэлектроника.
Наносистемы. Информационные технологии, 2024, 16(1):117-126. DOI:
10.17725/rensit.2024.16.117 - Горбачев И.А., Колесов В.В. Морфология и электрофизические свойства
модифицированных ленгмюровских пленок оксида графена получена, прошла
рецензирование, принята к печати и будет опубликована в журнале РЭНСИТ:
Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии, 2024, 16(1):109-116. DOI:
10.17725/rensit.2024.16.109 - И.А. Горбачев, А.В. Смирнов, В.В. Колесов, И.Е. Кузнецова // МОРФОЛОГИЯ И СЕНСОРНЫЕ
СВОЙСТВА ПЛЕНОК ЛЕНГМЮРА-БЛОДЖЕТТ С ИММОБИЛИЗОВАННЫМИ ФЕРМЕНТАМИ //
XXXV Сессия РАО, г. Москва, 13-17 февраля 2023 г.586-591 - Горбачев И.А., Смирнов А.В., Колесов В.В., Кузнецова И.Е. // Сенсорные покрытия на
основе пленок Ленгмюра — Блоджетт с иммобилизованными ферментами для создания
акустоэлектронного датчика глюкозы // СВЧ-техника и телекоммуникационные
технологии. 2023. Вып. 5. ISSN 2619-16281