Материалы из углерода
В настоящее время существует ряд известных материалов из углерода — это графит, алмаз, фуллерены, углеродные нанотрубки, а также открытый в начале 2000-х годов графен, который является одним из самых прочных и одновременно гибких органических материалов. Например, в 2018 году британский стартап Vollebak сконструировал двухстороннюю куртку из растягивающегося нейлона, покрытого с одной стороны слоем графена. Эта технология позволяет сохранять тепло тела, препятствует размножению бактерий на поверхности ткани, защищает от ветра и не накапливает влагу. Этот и многие другие примеры говорят о перспективности исследования углеродных соединений.
В середине 2000-х годов ученые открыли новую форму углерода — углеродные точки. Внимание исследователей привлекло яркое и стабильное свечение этих соединений. В настоящее время удалось добиться их свечения в диапазоне от синего до зеленого, но есть трудности в синтезе углеродных точек других цветов.
Мегагрант и светоизлучающие углеродные наноструктуры
В 2018 году Международный научно-образовательный центр физики наноструктур Университета ИТМО совместно с профессором Андреем Рогачем из Гонконга выиграл мегагрант правительства РФ. На деньги мегагранта, ученые создали лабораторию «Светоизлучающие углеродные квантовые наноструктуры» и провели первые работы полного цикла непосредственно в стенах университета.
Студент второго курса магистратуры Университета ИТМО Никита Тепляков и кандидат физ.-мат. наук Евгений Кунделев опубликовали в высокорейтинговых международных журналах две научные работы, посвященные исследованию углеродных точек.
«Основной целью моей работы было создание теоретической модели углеродных точек, которая бы описывала все основные экспериментальные факты. Мы отталкивались от понятия гибридизации атомов углерода в материалах. Как известно, в алмазе атомы углерода находятся в состоянии sp3-гибридизации, то есть каждый атом углерода соединен с четырьмя ближайшими атомами. В графите в состоянии sp2-гибридизации каждый атом углерода окружен тремя атомами в плоскости, а вертикальные связи слабы. Впервые в нашей работе было введено представление о дробной гибридизации. Оно подразумевает то, что атомы в углеродных точках находятся в состоянии промежуточной гибридизации между sp2 и sp3», — рассказал Никита Тепляков, автор статьи в ACS Nano.
Как показало сравнение с экспериментальными данными, развитая нами модель смешанной гибридизации хорошо объясняет оптические свойства углеродных точек.
Евгений Кунделев в своей работе в Journal of Physical Chemistry Letters нашел способ усилить красное свечение углеродных точек, устранив фундаментальное препятствие на пути их применения.
«В рамках исследования я предложил способ синтеза углеродных точек с сильным красным свечением. А именно — функционализировать их поверхность азотом в форме аминогрупп. Это позволяет сохранять присущие углеродным точкам хорошие люминесцентные свойства, смещая их свечение в красную область спектра», — объяснил Евгений Кунделев.
Потенциал и применение углеродных точек
Углеродные точки обладают рядом преимуществ перед своими аналогами. Во-первых, их можно быстро и дешево синтезировать. Исследователи из научной группы Университета ИТМО, например, для синтеза использовали обычную лимонную кислоту. Во-вторых, светящиеся углеродные соединения можно применять в качестве люминесцентных меток. В силу того, что они биосовместимы с живыми организмами, их внедрение не несет никакой опасности. В данном контексте как раз очень важно исследование Евгений Кунделева, потому что многие клетки имеют окно прозрачности именно в красной области спектра. Это означает, что они хорошо поглощают синее излучение, но пропускают красный свет. Поэтому в качестве меток могут использоваться только углеродные точки с красным спектром свечения.
Кроме того, флуоресцирующие углеродные точки могут применяться для сенсирования различных биологических молекул. Например, для определения примесей в воздухе или в воде.
По словам исследователей, большое будущее ждет углеродные точки в сфере оптоэлектроники. Благодаря своей фотостабильности и яркому излучению, они могут применяться наравне с полупроводниками в светодиодах.
И, конечно, углеродные точки смогут применять в медицине. С их помощью ученые хотят добиться адресной доставки лекарств. Они предлагают крепить специальные биомолекулы, уничтожающие раковые клетки, к углеродным точкам, которые в свою очередь будут собираться в опухоли. Затем, облучая их светом, ученые планируют заставлять биомолекулы отрываться от поверхности углеродных точек и направленно воздействовать на раковые клетки.
В дальнейшем ученые Университета ИТМО планируют продолжить исследования в области углеродных точек, используя разработанные ими модели. Например, изучить влияние различных примесей или функциональных групп, то есть понять, как именно можно изменять оптические свойства таких углеродных соединений, чтобы получать при этом желаемый оптический отклик.
