Коллектив авторов из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Химического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и Российского технологического университета МИРЭА разработал и исследовал новый сенсорный материал на основе 3D фотонных кристаллов, предназначенный для определения паров токсичных веществ на химических производствах. Результаты работы опубликованы в журнале Beilstein Journal of Nanotechnology https://www.beilstein-journals.org/bjnano/articles/13/9.

Фотонные кристаллы являются уникальными упорядоченными структурами, которые в природе придают неповторимую окраску крыльям бабочек, коже хамелеона, перьям павлина, перламутровым раковинам и полудрагоценным камням опалам. Такие кристаллы отражают излучение разных длин волн в зависимости от параметров структуры, показателя преломления и от угла падения света.

На рубеже 80-90 гг. ХХ века были начаты работы по созданию искусственных фотонных кристаллов для некоторых оптических приложений - конструирования многоцелевых отражателей и фильтров для видимой области спектра. Было обнаружено уникальное свойство этих материалов: если они меняют свою структуру (период кристаллической решетки фотонного кристалла), то начинают отражать свет другой длины волны. Такое изменение спектральных характеристик может служить аналитическим сигналом на различные виды воздействия, например, изменение температуры, кислотности или воздействие химических веществ. В частности, фотонные кристаллы могут откликаться на воздействие растворителя (например, бензола, толуола и др.), который заполняет межчастичное пространство в структуре, приводя к изменению размеров периода кристаллической решетки фотонного кристалла.

Российские химики и физики впервые изучили свойства и возможности применения уникальных сенсорных материалов на основе 3D фотонных кристаллов. «В нашей работе были получены фотонно-кристаллические сенсорные матрицы и исследованы их свойства, в частности, возможность их многократного применения. В нашей работе показано, насколько селективными могут быть такие фотонно-кристаллические сенсоры в зависимости от своей структуры и как долго их можно использовать, - рассказал один из авторов статьи, заведующий лабораторией аналитической химии и методов разделения ИОНХ РАН, доцент кафедры аналитической химии МГУ, доктор химических наук Александр Вадимович Иванов. - Мы обнаружили, что фотонные кристаллы обладают селективностью, которая выражается в том, что для сдвига спектра отражения требуется различное время. Чем более летуч органический растворитель и чем меньше размер его молекул, тем он легче проникает в фотонный кристалл и тем быстрее регистрируется спектральный отклик. В результате по времени отклика можно на качественном уровне судить, пары какого растворителя присутствуют в анализируемом образце».

Ученые выяснили, что такие фотонно-кристаллические сенсоры выдерживают несколько циклов (6-10 применений), то есть их можно использовать многократно. При этом обнаруживать наличие летучих веществ можно даже визуально, по изменению цвета сенсора от зеленого, зелено-голубого до желто-красного.

Примененный авторами метод оптической спектроскопии дает более быстрый и точный результат, позволяет зарегистрировать и проанализировать спектр отражения фотонного кристалла за несколько минут.

Исследователи составили базу данных, описывающую отклик фотонных кристаллов на разные классы веществ, в зависимости от летучести и размера молекул растворителя.

Новые датчики найдут применение на химических производствах, например при получении современных красок и мебельных лаков, где возможны утечки паров растворителей, которые даже в малых концентрациях являются опасными для человека.

В дальнейшем авторы планируют анализировать новым методом не только отдельные вещества, но и их смеси, надеются улучшить созданные сенсоры, сделав их еще более селективными и охватив другие типы растворителей.

Работа поддержана грантом РФФИ 18-03-00397 «Фотонные кристаллы как новое средство химического анализа».

Источник: Bolshakov, E. S.; Ivanov, A. V.; Kozlov, A. A.; Aksenov, A. S.; Isanbaeva, E. V.; Kushnir, S. E.; Yapryntsev, A. D.; Baranchikov, A. E.; Zolotov. A photonic crystal material for the online detection of nonpolar hydrocarbon vapors. Beilstein. J. Nanotechnol. 2022, 13, 127–136. doi:10.3762/bjnano.13.9

Фотографии исходного сенсора (зеленый) и сенсора после воздействия углеводорода (красный).

Фото. Авторы работы: к.х.н. Евгений Большаков (слева) и д.х.н. Александр Иванов (справа)