Нанокомпозити спряжених полімерів для сенсорних застосувань (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 20 вересня 2023 р.)

У доповіді розглянуто результати проведених в Інституті біоорганічної хімії та нафтохімії ім. В.П. Кухаря НАН України фундаментальних і прикладних досліджень, спрямованих на розроблення та вивчення нових багатофункціональних гібридних нанокомпозитів спряжених полімерів з оборотною чутливістю до різ...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2023
Автор:	Пуд, О.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2023
Назва видання:	Вісник НАН України
Теми:	З кафедри Президії НАН України
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/201626
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Нанокомпозити спряжених полімерів для сенсорних застосувань (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 20 вересня 2023 р.) / О.А. Пуд // Вісник Національної академії наук України. — 2023. — № 11. — С. 93-101. — Бібліогр.: 17 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-201626
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-2016262025-02-09T10:10:14Z Нанокомпозити спряжених полімерів для сенсорних застосувань (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 20 вересня 2023 р.) Nanocomposites of conjugated polymers for sensor applications (According to the materials of scientific report at the meeting of the Presidium of NAS of Ukraine, September 20, 2023) Пуд, О.А. З кафедри Президії НАН України У доповіді розглянуто результати проведених в Інституті біоорганічної хімії та нафтохімії ім. В.П. Кухаря НАН України фундаментальних і прикладних досліджень, спрямованих на розроблення та вивчення нових багатофункціональних гібридних нанокомпозитів спряжених полімерів з оборотною чутливістю до різних фізичних та хімічних впливів і здатністю реєструвати або відчувати зміни в атмосфері або диханні хворих, переносити у своєму складі діагностичні препарати чи ліки в організмі людини, поглинати іони важких металів і токсичні органічні сполуки з різних природних вод та інших середовищ, екранувати/абсорбувати електромагнітне випромінювання тощо. Окрему увагу приділено застосуванню розроблених матеріалів для сорбції шкідливих сполук з водних середовищ та дослідженню латексів нанокомпозитів електропровідних полімерів з термо- і світлочутливістю. The report reveals the results of fundamental and applied research carried out at the V.P. Kukhar Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry of the NAS of Ukraine and aimed at the development and study of new multifunctional hybrid nanocomposites of conjugated polymers with reversible sensitivity to various physical and chemical impacts and the ability to register or sense changes in the atmosphere or breath of the sick, carry diagnostic substances or drugs in the human body, absorb ions of heavy metals and toxic organic compounds from various natural waters and other media, shield/absorb electromagnetic radiation, etc. Particular attention is paid to the application of developed materials for the sorption of hazardous compounds from water media and to the study of latex nanocomposites of electrically conductive polymers with thermal and light sensitivity. Автор висловлює подяку своїм колегам д.ф.-м.н. О.Л. Куклі, проф., д.х.н. Л.О. Вретік, проф. Ж.-Л. Вожкієвичу, д.х.н. В.М. Близнюку, д.ф.-м.н. М.В. Петричуку, к.х.н. М.О. Огурцову, к.х.н. Ю.В. Носкову, к.х.н. С.Д. Михайлову, к.ф.-м.н. Ю.П. Пірятинському, к.х.н. Г.В. Дударенко, А.В. Мамикіну, І.Є. Миронюк, О.С. Кругляк за активну допомогу у створенні, дослідженні та пошуку нових сфер використання цих перспективних матеріалів на основі спряжених полімерів. 2023 Article Нанокомпозити спряжених полімерів для сенсорних застосувань (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 20 вересня 2023 р.) / О.А. Пуд // Вісник Національної академії наук України. — 2023. — № 11. — С. 93-101. — Бібліогр.: 17 назв. — укр. 1027-3239 DOI: doi.org/10.15407/visn2023.11.093 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/201626 uk Вісник НАН України application/pdf Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	З кафедри Президії НАН України З кафедри Президії НАН України
spellingShingle	З кафедри Президії НАН України З кафедри Президії НАН України Пуд, О.А. Нанокомпозити спряжених полімерів для сенсорних застосувань (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 20 вересня 2023 р.) Вісник НАН України
description	У доповіді розглянуто результати проведених в Інституті біоорганічної хімії та нафтохімії ім. В.П. Кухаря НАН України фундаментальних і прикладних досліджень, спрямованих на розроблення та вивчення нових багатофункціональних гібридних нанокомпозитів спряжених полімерів з оборотною чутливістю до різних фізичних та хімічних впливів і здатністю реєструвати або відчувати зміни в атмосфері або диханні хворих, переносити у своєму складі діагностичні препарати чи ліки в організмі людини, поглинати іони важких металів і токсичні органічні сполуки з різних природних вод та інших середовищ, екранувати/абсорбувати електромагнітне випромінювання тощо. Окрему увагу приділено застосуванню розроблених матеріалів для сорбції шкідливих сполук з водних середовищ та дослідженню латексів нанокомпозитів електропровідних полімерів з термо- і світлочутливістю.
format	Article
author	Пуд, О.А.
author_facet	Пуд, О.А.
author_sort	Пуд, О.А.
title	Нанокомпозити спряжених полімерів для сенсорних застосувань (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 20 вересня 2023 р.)
title_short	Нанокомпозити спряжених полімерів для сенсорних застосувань (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 20 вересня 2023 р.)
title_full	Нанокомпозити спряжених полімерів для сенсорних застосувань (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 20 вересня 2023 р.)
title_fullStr	Нанокомпозити спряжених полімерів для сенсорних застосувань (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 20 вересня 2023 р.)
title_full_unstemmed	Нанокомпозити спряжених полімерів для сенсорних застосувань (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 20 вересня 2023 р.)
title_sort	нанокомпозити спряжених полімерів для сенсорних застосувань (за матеріалами наукової доповіді на засіданні президії нан україни 20 вересня 2023 р.)
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2023
topic_facet	З кафедри Президії НАН України
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/201626
citation_txt	Нанокомпозити спряжених полімерів для сенсорних застосувань (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 20 вересня 2023 р.) / О.А. Пуд // Вісник Національної академії наук України. — 2023. — № 11. — С. 93-101. — Бібліогр.: 17 назв. — укр.
series	Вісник НАН України
work_keys_str_mv	AT pudoa nanokompozitisprâženihpolímerívdlâsensornihzastosuvanʹzamateríalaminaukovoídopovídínazasídanníprezidíínanukraíni20veresnâ2023r AT pudoa nanocompositesofconjugatedpolymersforsensorapplicationsaccordingtothematerialsofscientificreportatthemeetingofthepresidiumofnasofukraineseptember202023
first_indexed	2025-11-25T16:40:52Z
last_indexed	2025-11-25T16:40:52Z
_version_	1849781253176295424
fulltext	ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 11 93 НАНОКОМПОЗИТИ СПРЯЖЕНИХ ПОЛІМЕРІВ ДЛЯ СЕНСОРНИХ ЗАСТОСУВАНЬ За матеріалами доповіді на засіданні Президії НАН України 20 вересня 2023 року У доповіді розглянуто результати проведених в Інституті біоорганічної хімії та нафтохімії ім. В.П. Кухаря НАН України фундаментальних і при- кладних досліджень, спрямованих на розроблення та вивчення нових бага- тофункціональних гібридних нанокомпозитів спряжених полімерів з обо- ротною чутливістю до різних фізичних та хімічних впливів і здатністю реєструвати або відчувати зміни в атмосфері або диханні хворих, пере- носити у своєму складі діагностичні препарати чи ліки в організмі люди- ни, поглинати іони важких металів і токсичні органічні сполуки з різних природних вод та інших середовищ, екранувати/абсорбувати електро- магнітне випромінювання тощо. Окрему увагу приділено застосуванню розроблених матеріалів для сорбції шкідливих сполук з водних середовищ та дослідженню латексів нанокомпозитів електропровідних полімерів з термо- і світлочутливістю. Вибір для доповіді саме цієї теми пов’язаний з важливістю й поширеністю різних нанокомпозитних матеріалів не лише для сенсорних застосувань у традиційному розумінні цього терміна, а й для дотичних до сенсорики застосувань, які потребують від нанокомпозитів здатності оборотно реагувати на різні зовнішні впливи (температура, pH середовища, світло, електромагнітне випромінення, зміни у складі повітря та природних вод тощо). Наслідком таких взаємодій є зміна фізичних та фізико-хіміч- них характеристик нанокомпозитів, наприклад електропровід- ності, кольору, електронного спектра поглинання, об’єму, тем- ператури, гідрофільності та гідрофобності та ін. З огляду на це такі матеріали часто називають «розумними» [1, 2]. Очевидно, що така здатність нанокомпозитів може реалі- зовуватися лише завдяки властивостям компонентів, що вхо- дять до їх складу. З іншого боку, зрозуміло, що, оскільки таких компонентів досить багато, нанокомпозити з них варіабельні за властивостями, технологіями виготовлення, функціональ- ністю, що, у свою чергу, вимагає проведення великого обсягу ПУД Олександр Аркадійович — доктор хімічних наук, професор, завідувач відділу хімії функціональних матеріалів Інституту біоорганічної хімії та нафтохімії ім. В.П. Кухаря НАН України doi: https://doi.org/10.15407/visn2023.11.093 94 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (11) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ досліджень з їх розроблення і накладає обме- ження щодо вибору компонентів. Нанокомпозити спряжених полімерів по- рівняно з іншими нанокомпозитними мате- ріалами мають певну перевагу, оскільки їхні полімерні компоненти, тобто спряжені поліме- ри, є багатофункціональними, відносно легко модифікуються і досить легко утворюють на- нокомпозити з різними матеріалами, часто та- кож зі здатністю до оборотних взаємодій [3]. Це дозволяє формувати такі розумні наноком- позитні матеріали для різних типів сенсорних застосувань, наприклад для визначення різних шкідливих газів чи маркерів хвороб у повітрі або диханні хворих; доставки діагностичних препаратів або ліків до певних органів в орга- нізмі людини; спрямованих вузьколокалізо- ваних високотемпературних та інших фізич- них впливів безпосередньо на хворі органи; у мембранних системах; для генерації та збері- гання електричної енергії; видалення токсич- них сполук з водних середовищ; захисту від електромагнітного випромінювання тощо. Що ж таке спряжені полімери і які в них функціональні властивості? Це органічні ма- кромолекули різної природи та будови, однак їх об’єднує те, що в основному ланцюгу вони містять подвійні та одинарні зв’язки, що чергу- ються. Р-орбіталі подвійних зв’язків перекри- ваються і створюють лабільну спряжену сис- тему делокалізованих π-електронів, що й надає цим полімерам цікаві електронні властивості, за які їх називають полімерами з внутрішньо притаманною електропровідністю. Деякі з відомих спряжених полімерів у на- півпровідниковому недопованому стані наведе- но на рис. 1. Це, зокрема, політіофен, поліпірол, поліацетилен, поліанілін і навіть біополімер полідопамін. Завдяки спряженому ланцюгу ці полімери мають унікальні оптичні та напівпро- відникові властивості [4]. Деякі з них викорис- товують, наприклад, у світлодіодах, сонячних елементах, польових транзисторах. Якщо ж ви- далити з їх спряженої системи частину електро- нів, вони стають позитивно зарядженими, або, як кажуть фізики, р-допованими, і значною мі- рою втрачають свої оптичні властивості, однак при цьому стають дійсно електропровідними, а тому більш придатними вже для інших засто- сувань, таких як сенсорні та мембранні систе- ми; матеріали для біомедичного застосування; електромагнітне екранування, антистатичний та антикорозійний захист; використання їх як батарей; каталіз та електрокаталіз [4]. Загалом доповані електропровідні спряжені полімери можна отримати трьома методами. Першим і найпростішим методом є окисню- вальна полімеризація відповідного мономеру, яка завжди дає допований стан такого полі- меру. Другий метод допування — окиснення недопованих спряжених полімерів, крім полі- аніліну або його похідних. І третій — взаємодія недопованого поліаніліну з кислотою та прото- нування його імінних азотів. Чому зроблено такий наголос на допуванні спряжених полімерів? А тому, що разом з про- відністю неминучим наслідком цього процесу є поява в позитивно зарядженому (p-до по ва- ному) спряженому полімері заряд-компен- суючих аніонів-допантів, які мають істотний вплив на провідність, морфологію, розчин- ність, механічні, сенсорні та інші властивості електропровідних полімерів та їх композитів. Рис. 1. Приклади спряжених полімерів у напівпровід- никовому недопованому стані ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 11 95 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ Це можна проілюструвати на прикладі синтезованих нами наночастинок поліпіро- лу (PPy) [5]. Так, для найменшого допанту п-толуолсульфонатного аніона (TS, молеку- лярна маса = 171) спостерігаються агломеро- вані маленькі наночастинки; для середнього за розміром камфорсульфонатного допанту (CS, молекулярна маса = 231) — сферичні наночас- тинки, а для найбільшого і поверхнево-актив- ного допанту додецилбензолсульфонатного аніона (DBS, молекулярна маса = 325) — на- ночастинки у формі мушлі (рис. 2). Властивості цих поліпіролів також залежать від допанту. Наприклад, їх ступінь кристаліч- ності зменшується в ряду 13,9 % (PPy-TS) > 10,7 % (PPy-CS) > 7,7 % (PPy-DBS), тоді як ступінь π-спряження їх полімерного ланцюга знижується в ряду 1,17 (PPy-TS) > 0,54 (PPy- CS) > 0,42 (PPy-DBS); а їх електропровідність (См/см) різко спадає в ряду 6,40 (PPy-TS) > 0,82 (PPy-CS) > 0,13 (PPy-DBS), що загалом свідчить про вищі характеристики таких полі- піролів найменшого п-толуолсульфонатного допанту [5]. Зокрема, для сенсорних застосу- вань важливо, що електропровідність у цьому випадку найвища. Адже саме її або електрич- ний опір використовують як ключовий пара- метр для фіксації хеморезистивних сенсорних відгуків створених нами матеріалів. Річ у тім, що електропровідний спряжений полімер, який є р-допованим, при контакті з леткими токсичними сполуками діє або як до- нор, або як акцептор електронів, залежно від його ступеня окиснення, потенціалу іонізації та спорідненості до електрона й аналіту [6]. Фактично це означає, що, якщо полімер част- ково віддає електронну густину від власної спряженої системи до адсорбованих молекул аналіту, його позитивний заряд і, відповідно, провідність збільшуються. І навпаки, коли той самий електропровідний полімер діє як акцеп- тор електронів, його позитивний заряд і про- відність зменшуються [6]. На перший погляд, такі фізичні взаємодії виглядають дуже про- Рис. 3. Морфологічні та структурні ефекти в нанокомпозитах вуглецевих нанотрубок з поліпіролом, допова- ним сульфонатними допантами різного розміру [5]: а — ВНТ (діаметр 6—15 нм); б — ВНТ з оболонкою PPy-TS (2—4 нм); в — ВНТ з оболонкою PPy-CS (4—5 нм); г — ВНТ з оболонкою PPy-DBS (5—11 нм) Рис. 2. Вплив на властивості поліпі- ролу різних допантів: а — п-толуол сульфо- натний аніон (PPy- TS); б — камфорсуль- фонатний аніон (PPy- CS); в — додецил- бензолсульфонатний аніон (PPy-DBS) [5] 96 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (11) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ стими і їх ніби легко зареєструвати. Це було б так, якби взаємодія реалізовувалася на по- верхні дуже тонкого шару сенсорного поліме- ру. Однак такі шари найчастіше мають товщи- ну, більшу за кілька мікронів, і газовий аналіт досить повільно проходить всередину об’єму полімеру, спричиняючи в результаті специ- фічних взаємодій зміни в конформації макро- молекул та умовах для перенесення заряду. А це, у свою чергу, може зумовлювати відносно тривалі, часто недостатньо інтенсивні сенсорні відгуки на газові аналіти. Цю проблему можна вирішити (принаймні частково), якщо використати нанокомпозити спряжених полімерів, особливо з морфологією ядро—оболонка, де електропровідні полімерні шари/оболонки на носії-ядрі з іншого матері- алу мають товщину від одиниць до десятків нанометрів і часто не є суцільними. Такі мате- ріали отримують, зокрема, хімічною полімери- зацією відповідних мономерів у присутності наночастинок різної природи та розмірів [7]. У своїх роботах ми підтвердили для багатьох нанокомпозитів утворення за таких умов мор- фології ядро—оболонка і з’ясували, що якщо керувати як специфічними взаємодіями на межі поділу між компонентами нанокомпозиту, так і умовами полімеризації, то можна контро- лювати структуру, морфологію, регулярність, електрофізичні, сенсорні та інші характеристи- ки електропровідного спряженого полімеру в оболонці нанокомпозитних частинок. Зокрема, при переході від зразків поліпіро- лу з різними допантами, показаними на рис. 2, до їх нанокомпозитів з вуглецевими нанотруб- ками (ВНТ) можна побачити на електронних знімках (рис. 3), що в усіх випадках ВНТ по- криті відносно однорідною оболонкою поліпі- ролу, товщина якої зростає з розміром допанту [5]. Це свідчить про вплив аніонів допанту на відстані та міжмолекулярні взаємодії між по- лімерними ланками в оболонці. У свою чергу, значне підвищення ступеня кристалічності поліпірольної фази в наноком- позитах (CNT/PPy-TS — 20,7%, CNT/PPy- CS — 18,3 %, CNT/PPy-DBS — 13,4 %) порів- няно з чистим полімером (PPy-TS — 13,9 %, PPy-CS — 10,7 %, PPy-DBS — 7,7 %) чітко вка- зує на те, що поверхня вуглецевих нанотрубок відіграє значну структуроорганізуючу роль у впорядкуванні фази поліпіролу завдяки, оче- видно, міжмолекулярним взаємодіям між усі- ма компонентами нанокомпозиту [5]. Подібні Рис. 4. Сенсорні відгуки на аміак (10 ppm) у повітрі спряжених полімерів та їх нанокомпозитів: а — по- ліаніліну, допованого додецилбензолсульфоновою кислотою (ДБСК) або лаурилсульфатною кислотою (ЛСК), і його нанокомпозитів з наночастинками TiO2; б — поліпіролу, допованого хлорид аніонами, та його нанокомпозиту з оксидом цинку ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 11 97 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ результати отримано й для інших нанокомпо- зитів спряжених полімерів. Зокрема, виявилося, що чим менший вміст спряженого полімеру в таких нанокомпозитах і, відповідно, чим менша товщина його оболон- ки, тим вищий ступінь його кристалічності [5]. Ба більше, з’ясувалося, що в нанокомпозитах можуть бути кращими й інші характеристи- ки спряжених полімерів, такі як молекулярна маса, термостабільність, електропровідність тощо [5, 7—9]. Як наслідок, подібний вплив специфічних взаємодій має поширюватися і на практично важливі, зокрема сенсорні, влас- тивості нанокомпозитів спряжених полімерів. Дійсно, в багатьох випадках (але не в усіх) відгуки нанокомпозитів значно сильніші, ніж відгуки їх спряжених полімерних компо- нентів. Це спостерігається, наприклад, у разі отриманих нами відгуків на аміак поліаніліну і поліпіролу та їх нанокомпозитів з оксидами титану та цинку (рис. 4). Разом з тим, у деяких випадках для гібрид- них нанокомпозитів спряжених полімерів з морфологією ядро—оболонка спостерігається антибатна залежність від вмісту сенсорного компоненту. Тобто чим менше спряженого по- лімеру в нанокомпозиті, тим сильнішим може бути сенсорний відгук, що, зокрема, було нами показано для відгуків ряду нанокомпозитів галуазитних нанотрубок і поліаніліну на пари аміаку [10] (рис. 5а). Однак у випадку аналітів іншої природи такі нанокомпозити можуть реагувати складніше. Зокрема, для тих самих нанокомпозитів ми встановили, що для ацетону та ізопропанолу інтенсивність відгуків значно менше залежить від вмісту поліаніліну, ніж для аміаку (рис. 5б). Проте тренд, що сенсорні властивості нано- композиту кращі, все ж таки зберігається для більшості випадків. Наслідком кращих сенсорних характерис- тик нанокомпозитів спряжених полімерів є можливість їх використання для реєстрації низьких концентрацій газових аналітів. Зокре- ма, нам вдалося зареєструвати концентрації ppb-діапазону для деяких аналітів, що є кри- тично важливим для створення газових хемо- резистивних сенсорів летких токсичних спо- лук та маркерів хвороб людини [9, 11, 12]. Так, завдяки можливості визначати концентрації аміаку до 1 ррm вже можна говорити про за- стосування таких нанокомпозитів для діагнос- тики хронічної хвороби нирок. У випадку токсичних амінів та деяких ін- ших сполук ми також наближаємося до визна- чення їх концентрацій в ppb-діапазоні [9, 13]. Однак для таких застосувань наших наноком- позитів потрібно не лише проводити хімічні та фізико-хімічні дослідження, а й тісно співпра- цювати з фізиками та інженерами для створен- ня відповідного обладнання [13]. Зокрема, ми Рис. 5. Сенсорні відгуки нанокомпозитів галуазитних нанотрубок і поліаніліну за різного вмісту спряженого полімеру на пари аміаку (а) та гістограма інтенсивнос- ті їхніх відгуків на різні аналіти (б) 98 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (11) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ вже багато років виконуємо спільні сенсорні дослідження і проводимо вимірювання на об- ладнанні, розробленому доктором фізико-ма- тематичних наук О.Л. Куклою та його співро- бітниками з Інституту фізики напівпровідни- ків імені В.Є. Лашкарьова НАН України [13]. Це обладнання колеги постійно вдоскона- люють, і воно вже дозволяє для деяких газо- вих аналітів вимірювати одиниці ррb. Власне, ppb-рівня чутливості на деяких наших нано- композитах досягнуто і в спільних досліджен- нях з професором Ж.-Л. Вожкієвичем з Вищої технічної школи м. Дуе університету м. Лілль (Франція) [9, 11, 12]. Завдяки нашому співро- бітництву нам з партнерами вдалося виграти грант НАТО на проєкт зі створення солдат- ського бейджа. У рамках зазначеного проєкту триває робота з синтезу, дослідження та оптимізації розум- них сенсорних нанокомпозитів спряжених по- лімерів, а також з розроблення портативного сенсорного пристрою. Напрацювання за цими двома напрямами мають поєднатися в солдат- ському сигнальному бейджі, налаштованому на оперативне детектування токсичних газів у повітрі та генерацію звукового і цифрового сиг- налу тривоги з можливістю реєстрації на екрані віддаленого мобільного термінала (смартфона). Очевидно, що є й інші прояви чутливості спряжених полімерів, які часто виявляються в поєднанні з іншими матеріалами з власною чут- ливістю до зовнішніх впливів. Зокрема, у спів- робітництві з професором Л.О. Вретік з Київ- ського національного університету імені Тараса Шевченка ми отримали латекси наночастинок полістиролу, покритих оболонкою біосумісно- го термочутливого полімеру полі(N-ізо пропіл- акрил амід) (ПНІПАМ), яка, у свою чергу, міс- тить спряжені полімери поліанілін або полі(3,4- етил енді окситіофен) (ПЕДОТ) [14, 15]. Слід зазначити, що термочутливість ПНІ- ПАМу проявляється в тому, що за певної кри- тичної температури (близько 32 °С) в розчині він стає гідрофобним, а його набухлі у воді на- ночастинки виштовхують воду і, відповідно, зменшуються в розмірах. Тут важливим є те, що якщо вода в цій набухлій наночастинці містити- ме, наприклад, розчинені ліки, а сама наночас- тинка знаходитиметься поблизу хворого органу людини, то при незначному додатковому нагрі- ві ліки «виштовхнуться» до цього органу. Од- нак проблема полягає в тому, що критична тем- пература фазового переходу ПНІПАМу (32 °С) досить далека від температури тіла, а отже, для такого застосування її потрібно підвищувати. Ми спробували вирішити цю проблему введен- ням до складу оболонки ПНІПАМу спряжено- го полімеру, що дозволило підвищити критичну температуру ПНІПАМу в оболонці до 33,9 °C. Цей результат підсилюється тим, що спряже- ний полімер може запускати таке підвищення температури при освітленні інфрачервоним лазером завдяки його здатності поглинати інф- рачервоне випромінення, що супроводжується виділенням тепла. Звісно, кількість виділеного тепла залежить від вмісту спряженого полімеру в оболонці ПНІПАМу. Наприклад, для латексу з найвищим вмістом поліаніліну (а це менш як 10 мас. %) ми досягли зростання його темпера- тури на 6 °С за 5 хв (рис. 6). Отримані результа- ти свідчать, що такі латекси мають перспективу використання в системах доставки ліків у жи- вих організмах. Синтезовані нами сенсорні електропро- відні нанокомпозити спряжених полімерів з Рис. 6. Зміни критичної температури фазового пере- ходу синтезованих латексів при інфрачервоному опро- міненні [14] ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 11 99 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ вуглецевими нанотрубками виявилися ще й хорошими наповнювачами нанокомпозитів для екранування електромагнітного випро- мінювання. Ми використали їх для виготов- лення тернарних нанокомпозитів з механічно міцними полімерними сполучними. Зокрема, з додаванням таких бінарних нанокомпозитів поліаніліну або поліпіролу в промислові полі- мери полівініліденфторид або полівінілхлорид було отримано композитні плівкові матеріали з ефективністю електромагнітного екрануван- ня в гігагерцовому діапазоні частот 43—44 дБ. Сенсорні властивості спряжених полімерів та їх нанокомпозитів проявляються і в їх обо- ротній здатності поглинати з природних вод- них середовищ іони важких металів та інші токсичні сполуки [16]. Показовим прикладом такого використання синтезованих нами на- нокомпозитів спряжених полімерів є застосу- вання біополімеру полідопаміну та його нано- композитів з галуазитними нанотрубками для видалення радіонуклідів урану і плутонію з водних середовищ [17] (рис. 7). Ці роботи ми проводили у співпраці з док- тором хімічних наук В.М. Близнюком з уні- верситету м. Клемсон (США). Максимального ефекту було досягнуто для U(VI) — близько 500 мг урану на 1 г полідопаміну. Автор висловлює подяку своїм колегам д.ф.-м.н. О.Л. Куклі, проф., д.х.н. Л.О. Вретік, проф. Ж.-Л. Вожкієвичу, д.х.н. В.М. Близнюку, д.ф.-м.н. М.В. Петричуку, к.х.н. М.О. Огурцо- ву, к.х.н. Ю.В. Носкову, к.х.н. С.Д. Михайлову, к.ф.-м.н. Ю.П. Пірятинському, к.х.н. Г.В. Дуда- ренко, А.В. Мамикіну, І.Є. Миронюк, О.С. Кру- гляк за активну допомогу у створенні, дослі- дженні та пошуку нових сфер використання цих перспективних матеріалів на основі спря- жених полімерів. Рис. 7. Застосування полідопаміну та його гібридно- го нанокомпозиту з галуазитними нанотрубками для сорбції сполук урану та плутонію. СПЕМ-знімки: а — нанокомпозит полідопаміну з галуазитними на- нотрубками; б — наночастинки синтезованого полі- допаміну, в — наночастинки синтезованого полідопа- міну зі сполукою урану 100 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2023. (11) З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ REFERENCES 1. Yoshida M., Lahann J. Smart Nanomaterials. ACS Nano. 2008. 2(6): 1101—1107. https://doi.org/10.1021/nn800332g 2. Su M., Song Y. Printable Smart Materials and Devices: Strategies and Applications. Chem. Rev. 2022. 122(5): 5144— 5164. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.1c00303 3. Kausar A. Conducting Polymer-Based Nanocomposites: Fundamentals and Applications. Elsevier, 2021. https://doi. org/10.1016/C2019-0-04495-0 4. Heeger A.J. Semiconducting and Metallic Polymers: The Fourth Generation of Polymeric Materials. J. Phys. Chem. B. 2001. 105(36): 8475—8491. https://doi.org/10.1021/jp011611w 5. Ogurtsov N.A., Noskov Y.V., Kruglyak O.S., Bohvan S.I., Klepko V.V., Petrichuk M.V., Pud A.A. Effect of the Dopant Anion and Oxidant on the Structure and Properties of Nanocomposites of Polypyrrole and Carbon Nanotubes. Theor. Exp. Chem. 2018. 54(2): 114—121. https://doi.org/10.1007/s11237-018-9554-x 6. Li G., Josowicz M., Janata J., Semancik S. Effect of thermal excitation on intermolecular charge transfer efficiency in conducting polyaniline. Appl. Phys. Lett. 2004. 85: 1187—1189. https://doi.org/10.1063/1.1779948 7. Pud A.A., Ogurtsov N.A., Noskov Yu.V., Mikhaylov S.D., Piryatinski Yu.P., Bliznyuk V.N. On the importance of inter- face interactions in core-shell nanocomposites of intrinsically conducting polymers. SPQEO. 2019. 22(4): 470—478. https://doi.org/10.15407/spqeo22.04.470 8. Ogurtsov N.A., Noskov Y.V., Fatyeyeva K.Yu., Ilyin V.G., Dudarenko G.V., Pud A.A. The deep impact of the tem- plate on molecular weight, structure and oxidation state of the formed polyaniline. J. Phys. Chem. B. 2013. 117(17): 5306—5314. https://doi.org/10.1021/jp311898v 9. Mikhaylov S., Ogurtsov N., Noskov Y., Redon N., Coddeville P., Wojkiewicz J.-L., Pud A.A. Ammonia/amines elec- tronic gas sensors based on hybrid polyaniline-TiO2 nanocomposites. The effects of titania and the surface active doping acid. RSC Adv. 2015. 5(26): 20218—20226. https://doi.org/10.1039/C4RA16121A 10. Noskov Yu., Ogurtsov N., Bliznyuk V., Lvov Yu., Pud A. Synthesis and properties of core–shell halloysite–polyaniline nanocomposites. Appl. Nanosci. 2022. 12: 1285—1294. https://doi.org/10.1007/s13204-021-01812-9 11. Wojkiewicz J.-L., Bliznyuk V.N., Carquigny S., Elkamchi N., Redon N., Lasri T., Pud A.A., Reynaud S. Nanostructured polyaniline-based composites for ppb range ammonia sensing. Sens. Actuators B. Chem. 2011. 160(1): 1394—1403. https://doi.org/10.1016/j.snb.2011.09.084 12. Le Maout P., Wojkiewicz J.-L., Redon N., Lahuec C., Seguin F., Dupont L., Mikhaylov S., Noskov Yu., Ogurtsov N., Pud A. Polyaniline nanocomposites based sensor array for breath ammonia analysis. Portable e-nose approach to non- invasive diagnosis of chronic kidney disease. Sens. Actuators B. Chem. 2018. 274: 616—626. https://doi.org/10.1016/j. snb.2018.07.178 13. Ogurtsov N.A., Mamykin A.V., Kukla O.L., Pavluchenko A.S., Borysenko M.V., Piryatinski Yu.P., Wojkiewicz J.-L., Pud A.A. The Impact of Interfacial Interactions on Structural, Electronic, and Sensing Properties of Poly(3-methyl- thiophene) in Core-Shell Nanocomposites. Application for Chemical Warfare Agent Simulants Detection. Macromol. Mat. Eng. 2022. 307(4): 2100762. https://doi.org/10.1002/mame.202100762 14. Vretik L.O., Noskov Yu.V., Ogurtsov N.A., Nikolaeva O.A., Shevchenko A.V., Marynin A.I., Kharchuk M.S., Chepur- na O.M., Ohulchanskyy T.Y., Pud A.A. Thermosensitive ternary core–shell nanocomposites of polystyrene, poly(N- isopropylacrylamide) and polyaniline. Appl. Nanosci. 2020. 10: 4951—4964. https://doi.org/10.1007/s13204-020- 01424-9 15. Vretik L.O., Noskov Yu.V., Chepurna O.M., Ogurtsov N.A., Nikolaeva O.A., Marynin A.I., Ohulchanskyy T.Y., Pud A.A. Dual Stimuli-Responsive Ternary Core-Shell Polystyrene@Pnipam-Pedot Latexes. Part. Part. Syst. Char- act. 2023. 2300096. https://doi.org/10.1002/ppsc.202300096 16. Sun Y., Shao D., Chen C., Yang S., Wang X. Highly Efficient Enrichment of Radionuclides on Graphene Oxide- Supported Polyaniline. Environ. Sci. Technol. 2013. 47: 9904—9910. https://doi.org/10.1021/es401174n 17. Bliznyuk V.N., Kołacińska K., Pud A.A., Ogurtsov N.A., Noskov Yu.V., Powell B.A., DeVol T.A. High effectiveness of pure polydopamine in extraction of uranium and plutonium from groundwater and seawater. RSC Adv. 2019. 9(52): 30052—30063. https://doi.org/10.1039/C9RA06392G ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2023, № 11 101 З КАФЕДРИ ПРЕЗИДІЇ НАН УКРАЇНИ Alexander A. Pud V.P. Kukhar Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0681-633X NANOCOMPOSITES OF CONJUGATED POLYMERS FOR SENSOR APPLICATIONS According to the materials of scientific report at the meeting of the Presidium of NAS of Ukraine, September 20, 2023 The report reveals the results of fundamental and applied research carried out at the V.P. Kukhar Institute of Bioorganic Chemistry and Petrochemistry of the NAS of Ukraine and aimed at the development and study of new multifunctional hybrid nanocomposites of conjugated polymers with reversible sensitivity to various physical and chemical impacts and the ability to register or sense changes in the atmosphere or breath of the sick, carry diagnostic substances or drugs in the human body, absorb ions of heavy metals and toxic organic compounds from various natural waters and other media, shield/absorb electromagnetic radiation, etc. Particular attention is paid to the application of developed materials for the sorption of hazardous compounds from water media and to the study of latex nanocomposites of electrically conductive polymers with thermal and light sensitivity. Cite this article: Pud A.A. Nanocomposites of conjugated polymers for sensor applications. Visn. Nac. Akad. Nauk Ukr. 2023. (11): 93—101. https://doi.org/10.15407/visn2023.11.093

Нанокомпозити спряжених полімерів для сенсорних застосувань (за матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 20 вересня 2023 р.)

Репозитарії

Схожі ресурси