ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРИФЕРИЙНЫХ ГРУПП НА ПОВЕРХНОСТИ УНТ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ДИАЗОСОЕДИНЕНИЯМИ
Аннотация
Исследованы особенности ковалентной функционализации многослойных углеродных нанотрубок путем взаимодействия последних с солями арилдиазония. Процесс введения периферийных групп осуществлялся за счет разрыва системы π-связей, что позволяет сохранить целостность структуры объекта и, соответственно, высокие значения их физических характеристик. Полученные в ходе синтеза функционализованные углеродные нанотрубки были охарактеризованы с помощью набора физических и физико-химических методов, оценена степень функционализации. Протекание процесса введения периферийных групп подтверждено сравнением инфракрасных спектров исходных тубуленов и объектов, подвергшихся модифицированию, оценкой элементного состава методом рентгеновского полуколичественного микроанализа полученного функционализованного продукта. Методом сканирующей электронной микроскопии получены изображения нанообъектов, позволяющие сравнить морфологические особенности нефункционализированных и функционализированных многослойных углеродных нанотрубок. Установлено, что подвергшиеся модификации многослойные углеродные нанотрубки собираются в организованные ассоциаты. Для объяснения подобного явления организованной ассоциации было выдвинуто 2 гипотезы: усиление нековалентных взаимодействий между функционализированными углеродными нанотрубками по сравнению с исходными; формирование ковалентных взаимодействий между несколькими углеродными нанотрубками в процессе функционализации. Квантово-химическое моделирование нековалентного взаимодействия функционализованных и нефункционализованных объектов показало, что более выраженное ассоциирование между модифицированными нанотрбками является маловероятным. Литературные данные (предположение о механизмах ковалентного взаимодействия периферийных групп с соседними углеродными объектами) и результаты анализа элементного состава (малое содержание элементов, например, азота, содержащегося в группах, не участвующих в формировании ковалентной связи с периферийными фрагментами) позволяют сделать предположение о ковалентной природе образовавшихся ассоциатов углеродных нанотрубок.
Литература
Mishchenko S., Tkachev A. Carbon nanomaterials. Production, properties, application. M.: Mashinostroenie. 2008. 320 p. (in Russian).
Lozovik Yu.E., Popov A.M. Properties and nanotechnological applications of nanotubes. Zhurn. Konf. Simpoz. 2007. V. 117. N 7. P. 786-799 (in Russian).
Shulaker M.M., Hills G., Patil N., Wei H. Carbon nanotube computer. Nature. 2013. V. 501. P. 256-236. DOI: 10.1038/nature12502.
Lamberti M., Pedata P., Sannolo N., Porto S., De Rose A., Caragila M. Carbon nanotubes: Properties, biomedical applications, advantages and risks in patients and occupationally-exposed workers. Int. J. Immunopath. Pharm. 2015. V. 28(1). P. 4-13. DOI: 10.1177/0394632015572559.
Sharma P., Mehra N.K., Jain K., Jain N. Effect of functionalization on drug delivery potential of carbon nanotubes. Artificial Cells, Nanomed., Biotechnol. 2016. V. 44(8). P. 1851-1860. DOI: 10.3109/21691401.2015.1111227.
Oliveira S.F., Bisker G., Bakh N.A., Gibbs S.L. Protein functionalized carbon nanomaterials for biomedical. Carbon. 2015. V. 95. P. 767-779. DOI: 10.1016/j.carbon.2015.08.076.
Bilalis P., Katsigiannopoulos D., Avgeropoulos A. Sakellariou G. Non-covalent functionalization of carbon nanotubes with polymer. Chem. Roy. Soc. 2014. V. 4(6). P. 2911-2934. DOI: 10.1039/c3ra44906h.
Yan Z., Fang Y., Ramasamy R.P. Non-Covalent Functionalization of Carbon Nanotubes for Electrochemical Biosensor. Sensors. 2019. V.19(2). P. 1-29. DOI: 10.3390/s19020392.
Golosova A.A., Papadakis C.M., Jordan R. Chemical functionalization of carbon nanotubes with aryl diazonium salts. MRS Proc. 2011. V. 1362. DOI: 10.1557/opl.2011.1141.
Mainak M., Keis K., Zhan X., Meadows C., Cole J., Hinds B.J. Enhanced Electrostatic Modulation of Ionic diffu-sion through carbon nanotube membranes by diazonium graft-ing. J. Membrane Sci. 2008. V. 316. P. 89-96. DOI: 10.1016/j.memsci.2007.09.068.
Berger F.J., Lüttgens J., Nowack T., Kutsch T., Lindenthal S., Kistner L., Zaumseil J. Brightening of Long, Poly-mer-Wrapped Carbon Nanotubes By Large Scale sp3 Functionalization in Organic Solvents. ACS Nano. 2019. V. 13. P. 9259-9269. DOI: 10.1021/acsnano.9b03792.
Cai J.Y. Min J., McDonnell J., Church J.S., Easton C.D. Method for Modification of Carbon Nanotube Spun Yarns with Aryldiazonium Compounds. Carbon. 2012. V. 50. P. 4655-4662. DOI: 10.1016/j.carbon.2012.05.055.
Allongue P. Delamar M., Desbat B., Fagebaume O., Hitmi R., Pinson J., Savéant J.-M. Covalent Modification of Carbon Surfaces by Aryl Radicals Generated from the Electro-chemical Reduction of Diazonium Salts. J. Am. Chem. Soc. 1997. V. 119. P. 201-207. DOI: 10.1021/ja963354s.
Gohier A., Nekelson F., Helezen M., Jegou P., Deniau G., Palacin S., Mayne-L’Hermite M. Tunable grafting of functional polymers onto carbon nanotubes using diazonium chemistry in aqueous media. Chem. Roy. Soc. 2011. V. 21. P. 4615-4622. DOI: 10.1039/c0jm03679j.
Bahr J.L., Yang J., Tour J.M., Kosynkin D.V., Broni-kowski M.J., Tour J.M., Smalley R.E. Functionalization of Carbon Nanotubes by Electrochemical Reduction of Aryl Diazonium Salts: A Bucky Paper Electrode. J. Am. Chem. Soc. 2001. V. 123. P. 6536-6542. DOI: 10.1021/ja010462s.
Lipinska M.E., Rebelo S.L.H., Pereira M.F.R., Gomez J.A.N.F., Figueiredo J. L., Freire C. New insights into the functionalization of multi-walled carbon nanotubes with aniline derivatives. Carbon. 2012. V. 50. P. 3280-3294. DOI: 10.1016/j.carbon.2011.12.018.
Ghanem M.A., Kocak I., Al-Mayouf A., AlHoshan M., Bartlett P.N. Covalent modification of carbon nanotubes with anthraquinone by electrochemical grafting and solid phase synthesis. Electrochim. Acta. 2012. V. 68. P. 74-80. DOI: 10.1016/j.electacta.2012.02.027.
Peng Z., Holm A.H., Nielsen L.T., Pedersen S.U., Daasbjerg K. Covalent Sidewall Functionalization of Carbon Nanotubes by a “Formation−Degradation” Approach. Chem. Mat. 2008. V. 20(19). P. 6068-6075. DOI: 10.1021/cm800954t.
Noparvar-Qarebagh A., Roghani-Mamaqani H., Salami-Kalajahi M. Functionalization of carbon nanotubes by furfuryl alcohol moieties for preparation of novolac phenolic resin composites with high carbon yield values. Colloid Polym. Sci. 2015. V. 293(12). P. 3623–3631. DOI: 10.1007/s00396-015-3741-2.
Stephenson J.J., Hudson J.L., Tour J.M., Azad S. Individualized Single Walled Carbon Nanotubes from Bulk Material Using 96% Sulfuric Acid as Solvent. Chem. Mat. 2006. V. 18. P. 374-377. DOI: 10.1021/cm052204q.
Stephenson J.J., Hudson J.L., Leonard A.D., Price B.K., Tour J.M. Repetitive Functionalization of Water-Soluble Single-Walled Carbon Nanotubes. Addition of Acid-Sensitive Addends. Chem. Mat. 2007. V. 19. P. 3491–3498. DOI: 10.1021/cm070076v.
Nanotube Modeler Version 1.7.4. – http://www.jcrystal.com/products/wincnt/index/htm
Molecular Orbital PACkage (MOPAC). – http://www.openmopac.net/.
Patrizio S., Fabris E., Sartorio C., Fenaroli D., Figa V., Casaletto M. P., Menna E. An insight into the functionalisation of carbon nanotubes by diazonium chemistry: Towards a controlled decoration. Carbon. 2014. V. 74. P. 73-82. DOI: 10.1016/j.carbon.2014.02.084.
Bensghaïer A., Mousli F., Lamouri A., Postnikov P.S., Chehimi M.M. The Molecular and Macromolecular Level of Carbon Nanotube Modification Via Diazonium Chemistry: Emphasis on the 2010s Years. Chem. Africa. 2020. DOI: 10.1007/s42250-020-00144-5.
