Ученые доказали, что можно создавать двумерные пленки, устойчивые к влаге и способные улавливать электрические сигналы, из органических полимеров на основе колец из азота и углерода. Благодаря этим свойствам из таких материалов можно будет изготавливать нательные электроды для снятия ЭКГ, которым не мешает человеческий пот. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале FlatChem.
Атомная модель предсказанного монослоя (справа), спектр поглощения и зависимость энергии структур от деформации, по которой определялись механические свойства предсказанных монослоев. Источник: Дмитрий Квашнин
Гибкие нательные электроды позволяют отслеживать состояние сердечно-сосудистой системы, считывая электрические импульсы, возникающие при работе сердца. Электроды преобразуют эти сигналы в ток для кардиографа. Для подробной диагностики (например, в случае спортсменов, когда состояние сердца отслеживают во время длительных нагрузок) нужно носить электроды на теле в течение нескольких суток. Ученые выяснили, что в таких ситуациях чувствительность электрода уменьшается, потому что человек потеет, а вода мешает считыванию сигналов, окисляя материал электрода. Кроме того, использующиеся сейчас электроды с серебряным покрытием не подходят для длительного мониторинга, поскольку серебро, как любой металл, чувствительно к статическому электричеству, которое «накапливается» на поверхности кожи, когда мы прикасаемся к каким-то предметам. Поэтому вместо серебра лучше использовать гели, которые также защищают от попадания влаги (пота) в пространство между кожей и электродом и изолируют электрод от статического электричества. Однако гели быстро высыхают, поэтому нужно находить другие возможности для снятия ЭКГ.
Ученые из Института биохимической физики имени Н.М. Эмануэля (Москва) предложили в качестве нового материала для гибких электродов полимеры из класса триазиновых каркасов — органических соединений, имеющих вид колец из атомов углерода и азота. Авторы использовали компьютерное моделирование, чтобы оценить возможность их получения, стабильность и свойства, а также предложить, где они могут применяться. Выбор пал на молекулу F4-TCNQ, содержащую помимо колец из углерода и азота циановые группы (также из углерода и азота) и атомы фтора. Важное свойство предложенного соединения — способность оставаться стабильным при сильных механических деформациях, например, сгибании и скручивании более чем на 15–20%. Оно выгодно отличает F4-TCNQ от всех остальных триазиновых каркасов, поскольку обычно материал может вернуться в свое изначальное состояние только при незначительных деформациях (1–5%). При этом, когда грудная клетка человека расширяется и сжимается во время вдоха и выдоха или при сгибании и разгибании мышц, деформации доходят до 15–20%. Именно поэтому материал из F4-TCNQ подходит для изготовления датчиков контроля дыхания и частоты сердечных сокращений, давления и подобных.
«Методы компьютерного моделирования позволили нам изучить физико-химические свойства нового слоя, не прибегая к экспериментальному синтезу. Дальнейшие исследования позволят определить потенциальные области применения предсказанной нами структуры и дать рекомендации к ее получению», — рассказывает исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Анастасия Коровина, младший научный сотрудник, аспирант центра компьютерного моделирования неорганических и композитных наноразмерных материалов Института биохимический физики имени Н.М. Эмануэля РАН.
Кроме того, ученые теоретически доказали возможность синтезировать двумерные пленки на основе молекул F4-TCNQ. Раньше подобные материалы создавались только в объемном (трехмерном) виде. Моделирование показало, что 2D-материал имеет высокую пористость и большую площадь поверхности. Он также может проводить электрический ток. Кроме того, пленка поглощает свет в видимом диапазоне, при этом под действием механических деформаций максимум ее поглощения может сдвигаться в стороны синих или красных длин волн. На практике это означает, что возможно будет невооруженным глазом наблюдать изменение цвета пленки, наклеенной на грудную клетку, в ходе дыхания спортсмена. По изменению цвета можно будет судить о механических деформациях и особенностях дыхания и изменения параметров грудной клетки. Также материал устойчив к высоким температурам и влаге, а значит, пот не будет мешать считывать электрические импульсы.
«На данный момент направление будущих исследований связано с нательными электродами. Мы планируем подробнее исследовать, как изменяется оптический отклик при механических деформациях. Например, пленка в обычном состоянии непрозрачна при комнатном освещении, а когда мы ее растягиваем, она становится прозрачной. Это свойство потенциально позволит использовать такие материалы не только для ЭКГ, но и в качестве оптических и механосенсоров», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Дмитрий Квашнин, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, заведующий центром компьютерного моделирования неорганических и композитных наноразмерных материалов Института биохимический физики имени Н.М. Эмануэля РАН.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда