Кристаллы ZIF-8.
Источник: пресс-служба ТПУ
Ученые Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ совместно с коллегами из Китая разработали технологию создания материалов для гибких и долговечных функциональных датчиков на основе металлоорганических каркасов (MOF). Она основана на лазерной обработке каркасов, в результате чего происходит их преобразование в люминесцентные наноуглероды. Полученный композит продемонстрировал хорошие эксплуатационные характеристики в качестве гибких электродов для датчиков температуры и изгиба с высокой механической прочностью.
Исследование проводилось при грантовой поддержке второго совместного конкурса Российского научного фонда и Государственного фонда естественных наук Китая по поддержке международных российско-китайских научных коллективов.
Результаты работы ученых опубликованы в журнале Advanced Optical Materials (Q1; IF: 9).
Создание мультифункциональных гибких датчиков, таких как датчики температуры и давления, открывает широкие перспективы для их применения в различных сферах — от транспорта и энергетики до медицины. Но в часто используемых датчиках, где регистрируется электрический сигнал, зачастую сложно зафиксировать изменения, связанные с температурой, давлением или деформацией. Ученые ТПУ обнаружили, что лазерная обработка MOF — активно исследуемых сейчас полимеров — позволяет увеличить сигнал люминесценции вплоть до 70 раз. Используя сигнал люминесценции для измерения температуры, можно надежно отличить изменение температуры и деформацию сенсора.
На сегодняшний день существуют несколько методов для увеличения люминесценции MOF, однако они затратны по времени и подразумевают сложные этапы синтеза. Предложенный учеными Томского политеха способ для изменения люминесцентных свойств материалов прост в применении. Он трансформирует MOF, содержащий цинк и органические лиганды, в высоколюминесцентные N-легированные наноуглероды. Исследования выполнялись коллективом научной группы ТERS-Team ТПУ под руководством профессора Евгении Шеремет и их коллег под руководством профессора Ранран Ванг из Шанхайского института керамики Китайской академии наук.
В рамках проекта ученые исследовали определенный тип MOF, называемый ZIF-8, и процессы, происходящие в результате лазерной обработки этого материала. Металлоорганические каркасы ZIF-8 состоят из цинка и органических молекул, которые самоорганизуются в кристаллические структуры. Они обладают такими полезными свойствами, как большая площадь поверхности, контролируемая пористость, широкий спектр комбинаций ионов металлов и органических лигандов. Ученые Томского политеха провели ряд экспериментов, направленных на установление влияния непрерывного лазерного излучения на свойства фотолюминесценции. Для этого металлоорганические каркасы наносились на разные подложки, после чего подвергались лазерному облучению с разной длительностью импульса.
«Мы обнаружили интересный эффект: при облучении ZIF-8 лазером можно получить материал с очень интенсивной люминесценцией вне зависимости от подложки. Впервые это было сделано с помощью лазера. В ходе исследования процесса преобразования материала мы обнаружили, что он превратился в легированный азотом наноуглерод и наноструктуры оксида цинка. Кроме того, при использовании гибкой полиуретановой пленки, напечатанной на 3D-принтере, произошла интеграция углерода в подложку, что сделало материал электропроводящим и механически прочным для гибкой электроники», — рассказывает один из основных авторов статьи, инженер Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Чан Туан Хоанг.
Ученые отмечают, что полученный композит сочетает в себе такие свойства, как биомеханическая податливость, чувствительность люминесценции к температуре, стойкость к многократным изгибам. Также в рамках исследования политехники изучили возможность использования композита для датчиков температуры и деформации.
«Люминесценция оказалась чувствительной к температуре, а электрическое сопротивление — к деформации. При этом материал остается стабильным в течение 10 тысяч циклов сгиба, что подтверждает долговечность электродов. Этот подход может в дальнейшем использоваться для изготовления датчиков температуры и изгиба, где оба сигнала могут измеряться независимо», — подчеркивает руководитель проекта, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Евгения Шеремет.
Источник информации и фото: пресс-служба Томского политехнического университета