Новый материал — полимер из класса триазиновых каркасов, органических соединений, имеющих вид колец из атомов углерода и азота — предложили для изготовления гибких электродов ученые из Института биохимической физики им. Н. М. Эмануэля (ИБФ) РАН, 1 апреля сообщает портал «Научная Россия» со ссылкой на пресс-службу РНФ.

Возможность создания двумерных органических пленок из органических полимеров на основе колец из азота и углерода, невосприимчивых к влаге, которые могут улавливать электрические сигналы, ученые доказали с помощью компьютерного моделирования.

Такие материалы можно будет использовать для изготовления гибких нательных электродов, удобных для снятия электрокардиограммы (ЭКГ), и при этом их показаниям не будет мешать человеческий пот.

Для подробной диагностики состояния сердечной системы, когда его отслеживают во время длительных нагрузок (например, у спортсменов) электроды нужно носить на теле нескольких суток. При этом, из-за того что человек потеет, чувствительность электрода уменьшается вследствие окисления материала электрода.

У современных электродов есть еще один недостаток — их покрывают серебром, но будучи металлом, серебро чувствительно к статическому электричеству, которое накапливается на коже человека, когда он прикасается к каким-то поверхностям.

Выходом могут быть гели — они не дают поту попадать в пространство между кожей и электродом и изолируют электрод от статического электричества. Но при длительном снятии ЭКГ гели высыхают.

Ученые ИБФ РАН предложили заменить гели двумерной пленкой, для изготовления которой выбрали молекулу F4-TCNQ, содержащую помимо колец из углерода и азота циановые группы (также из углерода и азота) и атомы фтора.

Применив компьютерное моделирование, они установили, что такой материал стабилен при сильных механических деформациях, в том числе сгибании и скручивании более чем на 15–20%, чего не могут выдержать все остальные триазиновые каркасы, сохраняющие стабильность только при незначительных деформациях (1–5%).

Однако при вдохе и выдохе грудная клетка человека расширяется и сжимается, также и во время сгибания и разгибания мышц деформации приклеенных к торсу электродов могут доходить до 15–20%. Поэтому именно F4-TCNQ подходит для изготовления датчиков контроля дыхания и частоты сердечных сокращений, давления и др.

Исполнитель проекта, младший научный сотрудник, аспирант центра компьютерного моделирования неорганических и композитных наноразмерных материалов ИБФ РАН Анастасия Коровина рассказала о работе над ним:

«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».

Важность проделанной учеными ИБФ РАН работы заключается также и в том, что они теоретически доказали возможность на основе молекул синтезировать двумерные пленки, тогда как ранее из подобных соединений создавались материалы только в объемном (трехмерном) виде.

Но именно 2D-материал из F4-TCNQ имеет высокую пористость и большую площадь поверхности, может проводить электрический ток, устойчив к высоким температурам и влаге, то есть пот не будет мешать считывать электрические импульсы для ЭКГ.

Эта пленка поглощает свет в видимом диапазоне, а под действием механических деформаций максимум ее поглощения сдвигается в стороны синих или красных длин волн. Это позволит невооруженным глазом следить по изменению цвета пленки, наклеенной на грудную клетку, за дыханием спортсмена, его особенностями, а также за изменением параметров грудной клетки.

Результаты исследования предложенного материала ученые представили в статье «Двумерный монослой из органических молекул F4-TCNQ с помощью DFT-расчетов», опубликованной в журнале FlatChem.

Руководитель проекта, старший научный сотрудник, заведующий центром компьютерного моделирования неорганических и композитных наноразмерных материалов ИБФ РАН доктор физико-математических наук Дмитрий Квашнин рассказал о предстоящей работе:

«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».