Ученые очистили воду с помощью квантовых точек и золота

Графен лежит в основе самых передовых прикладных разработок, но и у него есть свои минусы, которые можно компенсировать за счет симбиоза с другими материалами. В поисках наилучших свойств ученые из МФТИ, ИОФ РАН и Тайваньского национального университета науки и технологий в рамках совместного проекта Российского научного фонда изучили взаимодействие графена и классических материалов. Изученные композиты интересны для очистки воды, оптоэлектроники, доставки лекарств, терапии рака, экологически чистой энергетики и защиты окружающей среды. Результат исследования опубликован в Chemical Engineering Journal.

Современная наука по-прежнему активно смешивает и тестирует новые материалы, а передовые образцы находят применение в самых различных отраслях нашей жизни. Так, в легком пористом композите металл-графена ученые равномерно распределили графеновые квантовые  точки  и наночастицы золота, синергизм которых  обеспечил наилучшие свойства для одновременного мониторинга и очистки воды.

Отравление воды тяжелыми металлами вызывает долговременные и тяжелые заболевания. Печальную известность получили события в Японии, где в заливе Минамата в начале ХХ века был запущен химический завод, сбрасывавший промышленные отходы по каналу в морскую воду. Это вызвало отравление морских обитателей, местных жителей и домашних животных. Проведенный анализ показал, что в устье канала находятся частицы селена, таллия, марганца, меди, свинца и ртути. Болезнь поражала центральную нервную систему, вызывая онемение, ухудшение зрения, речи и слуха, а в тяжелых случаях — летальный исход. К сожалению, это не единственный  случай массового отравления ртутью, заставивший в результате обратить пристальное внимание на качество воды, особенно на наличие токсичных ионов тяжелых металлов Hg 2+ и Cr(VI), а это весьма непросто: они бесцветны, хорошо растворимы в воде и практически неуязвимы.

Сегодня эффективная очистка воды возможна с помощью мембранных фильтров из новых материалов, например из популярного графена. Однако у него есть один недостаток: отсутствует запрещенная зона — расстояние между зоной проводимости и валентной зоной. Это не позволяет электронам вернуться в основное состояние с высвечиванием избытка энергии. Материал не может люминесцировать, что необходимо для обнаружения тяжелых металлов в воде. Кстати, поэтому же графен не может стать полноценным материалом для оптоэлектроники, в отличие от кремния.  У ученых давно возникло желание создать эту запрещенную зону, например за счет понижения размерности в материалах, созданных на основе графена: в углеродных нанотрубках (одномерный материал) или графеновых квантовых точках (0-мерный материал).

Квантовая точка — субатомный фрагмент проводника, носителя заряда электрона. Создать их довольно нелегко даже из макроформ углерода, а уж тем более из  двумерной структуры графена. Ученые из Тайваньского национального университета науки и технологий развили плазменную технологию и научились получать графеновые квантовые точки без использования токсичных химикатов и высоких температур (рисунки 1 и 2). Изучив их с помощью просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения, они убедились, что получили графеновые квантовые точки сферической формы с диаметром  4,6 и 6,3 нанометров. Осталось только исследовать их свойства.

Рисунок 1. Изображение графеновых квантовых точек, полученное в просвечивающем электронном микроскопе высокого разрешения (слева); гистограмма, иллюстрирующая распределение квантовых точек по диаметру (справа).

Рисунок 2. Карта фотолюминесценции (возбуждение — эмиссия) графеновых квантовых точек

«Мы полностью взяли на себя оптическую часть исследования  характеристик графеновых квантовых точек. Методом резонансного комбинационного рассеяния света мы подтвердили, что точки — графеновые, и оценили их размер, а  с помощью оптического поглощения света и фотолюминесценции точно определили величину запрещенной зоны», — сообщил Павел Федотов,  старший научный сотрудник лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ.

«Знание точных характеристик материала позволило нам создать композит из квантовых точек и наночастиц золота и применить его в различных фильтрах, используемых как для очистки воды от примесей, так и для  определения белков в крови. Белок связывается с наночастицами золота, и при возбуждении энергия передается на графеновые квантовые точки, которые эффективно люминесцируют, позволяя четко отслеживать их число и взаимодействие. Таким образом, квантовые точки работают как сенсоры, просто и эффективно», — рассказала о проекте Елена Образцова, руководитель лаборатории наноуглеродных материалов МФТИ.

Рисунок 3. Созданная  из нетоксичных пористых графен-металлических композитов мембрана задерживает примеси с очень высокой чувствительностью за счет хорошей люминесценции.  Доступные материалы можно получить в больших количествах, а сами частицы — с заданным диаметром, что позволяет создать мембрану, соответствующую параметрам поиска, что и сделали ученые, проверив работу фильтра на разные вещества. Источник: Chemical Engineering Journal

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № RSF-MOST-20-42-08004).

 

Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК

Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов

hello@technovery.com