Получить силиконовые композиты с улучшенными характеристиками ученым СПбГУ удалось за счет модификации углеродных нанотрубок (УНТ) — листов графена, свернутых в наноразмерные цилиндры. УНТ отличаются легкостью, прочностью, тепло- и электропроводностью. Поэтому их часто добавляют в состав силиконовых материалов для придания тем полезных свойств.

«При этом углеродные нанотрубки нередко распределяются в силиконе неравномерно», — отмечает Регина Маратовна Исламова, один из авторов разработки, профессор СПбГУ (кафедра химии высокомолекулярных соединений). Это приводит к тому, что силиконовый композит с УНТ нестабильно проявляет требуемые свойства. Например, на каких-то участках он хорошо проводит ток, а на других совсем не обладает подобной способностью. Такая ситуация делает произведенный материал ненадежным и малопригодным для использования на практике.

Химики СПбГУ придумали, как быстро, эффективно и безопасно модифицировать углеродные нанотрубки, чтобы они равномерно распределялись в силиконе, делали его более электропроводным и однородным по структуре по сравнению с тем, что могли обеспечить обычные УНТ. Разработка исследователей позволит создавать для электроники и оптоэлектроники более качественные полупроводники, батареи, электрохимические и биологические сенсоры, способные изменять форму и при этом сохранять функциональность.

Решение, предложенное учеными Университета, особенно актуально в условиях растущего спроса на гибкую электронику. По данным аналитической компании Fortune Business Insights (FBI), затраты на подобные приборы в 2024 году в мире составили более $ 29 млрд, а к 2032-му вырастут до $ 71 млрд.

Самыми востребованными гибкими устройствами, согласно статистике FBI, сегодня являются дисплеи для различных гаджетов. На втором по популярности месте — компоненты для осветительных приборов. На третьем — сенсоры: как бытовые, например для отслеживания температуры и влажности в помещении, так и медицинские вроде тех, что измеряют пульс или передают сигналы от кожи к нейронным протезам. Также пользуются спросом гибкие батареи для компактных и легких устройств, в частности для VR-очков. Разработка исследователей СПбГУ позволит повысить уровень производства в том числе и таких устройств.

Метод усовершенствования углеродных нанотрубок, разработанный химиками СПбГУ, является более безопасным по сравнению с аналогами. Для его применения не требуются концентрированные кислоты, гамма-излучение, радиоактивные и токсичные реагенты, а значит, при обработке УНТ не получают повреждения и, как следствие, максимально сохраняют свои электрофизические характеристики. В свою очередь, специалисты, проводящие модификацию, не подвергают здоровье риску.

Разработка исследователей отличается и экономичностью. Для усовершенствования УНТ применяются соединения с относительно невысокой стоимостью производства, тогда как некоторые аналоги предполагают модификацию нанотрубок дорогостоящими материалами, например наночастицами золота.

Метод ученых СПбГУ к тому же просто и быстро реализовать. Если похожие способы зачастую включают 4–5 стадий обработки нанотрубок, то разработка ученых Университета предполагает всего одну.

Дополнительное преимущество заключается в том, что способ, предлагаемый химиками Университета, позволяет вводить на поверхность углеродных нанотрубок достаточно большое количество ферроценильных групп — до 25 % от массы УНТ. За счет этого материалы приобретают сильные и стабильные электрохимические свойства, чего аналоги не могут обеспечить на таком высоком уровне.

Разработка также дает возможность добавлять в силиконовые матрицы повышенное количество углеродных нанотрубок — более 10 %. В том числе благодаря этому силиконовые материалы получают способность проводить электрический ток и при этом сохраняют возможность растягиваться и гнуться.

В настоящее время химики СПбГУ разрабатывают на основе модифицированных углеродных нанотрубок материалы для гибкой электроники. «Сейчас мы работаем над созданием электрохимического сенсора. Затем планируем провести исследования наших материалов в составе устройств для запасания энергии — батарей», — заключает Регина Исламова.