НАНОМАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ГРАФЕНА

АННОТАЦИЯ

Наноматериалы на основе графена привлекают все больший интерес научного сообщества благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам и их применениям в биотехнологии, биомеди­цине, биоинженерии, диагностике заболеваний и терапии. Данное исследование было направлено на изучения и обсуждения: истории, синтеза, структурных свойств наноматериалов на основе графена. Кратко представлены структуры и свойства наноматериалов на основе графена, включая графен, оксид графена (ГO), восстановленный оксид графена (ВГO) и модифицированный графен.

Ключевые слова: графен, свойства, получение, применение, наноматериалы.

Введение. Этот обзор посвящен последним достижениям в области наноматериалов на основе графена. Графен, из всех атомов углерода, отличается двумерной структурой с одной атомной толщиной, нано­размерной структурой и обеспечивает высокую площадь поверхности с регулируемой химией поверхности для образования гибридов. Он был синтезирован из графита. Широкое семейство наноматериалов на основе графена, перечисленных в этом обзоре, включает графен, оксид графена (ГO), восстановленный оксид графена (ВГO) и химически модифицированный графен (который имеет функциональные группы, ковалентно связанные с поверхностью отдельных слоев графитового углерода) [1].

Хотя материалы на основе углерода, такие как фуллерен, графит и углеродные нанотрубки, широко используются из-за их уникальных свойств и наноразмерных размеров [2–3], в последние годы наномате­риалы на основе графена привлекают значительный интерес, благодаря их применению в медицине, биотехнологии и различных междисци­плинарных науках [4–5].

Структура и свойства наноматериалов на основе графена

Наноматериалы на основе графена были классифицированы на основе количества слоев в листе, содержания кислорода и их хими­ческого состава. Есть много структурных различий между ГO и ВГO, которые определяют их физико-химические свойства. Рис. 3 представляет собой схематическое изображение химической структуры графена, ГО и ВГО [6]. Аналитические методы, такие как спектроскопия комбина­ционного рассеяния, трансмиссионная электронная микроскопия (ТЭМ), спектроскопия ядерного магнитного резонанса с твердотельным преобра­зованием Фурье (ФТ-ЯМР) и атомно-силовая микроскопия (АСМ), используются для понимания структурных свойств наноматериалов на основе графена [7].

Графен. Графен представляет собой единый углеродный слой графитовой структуры. Это двумерный планарный и гексагональный массив атомов углерода. Его получают путем механического или химического отслоения графита путем химического осаждения из паровой фазы. Он имеет большую удельную поверхность, высокую внутреннюю подвижность и высокую теплопроводность. Графен счи­тается гидрофобным из-за отсутствия кислородных групп.

Оксид графена. ГO представляет собой однослойный оксид графита, часто получаемый путем отслаивания оксида графита. ГО получают кислотно-щелочной обработкой оксида графита с после­дующей обработкой ультразвуком. Несколько функциональных групп, таких как кислород, эпоксидные группы и карбонильные, гидроксильные и фенольные группы, присутствуют на поверхности ГО. Очевидное различие между графеном и ГО состоит в наличии атомов кислорода, связанных с углеродом. ГO является продуктом гидрофильного производного графена. ГO имеет как ароматические (sp²), так и алифатические (sp³) домены, которые облегчают взаимодействие на поверхности [8]. Он синтезируется по методу Хаммера и имеет оксигенированные группы на поверхности молекулы. Специфической структуры ГO нет, но морфологическая и структурная характеристика дает представление о структуре ГO [9].

Восстановленный оксид графена. ВГO является продуктом оксида графена или оксида графита в результате химического или термического восстановления. ВГO рассматривается как промежуточная структура между листом идеального графена и высокоокисленным ГO [9].

Рисунок 3 Схематическое изображение структур графена (a), ГО (b) и ВГО (c) [6]

Copyright Elsevier 2016

Синтез наноматериалов на основе графена

Для синтеза наноматериалов на основе графена использовалось несколько подходов: «нисходящий» или «восходящий». Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки. В работе [9] подчеркнули, что метод «снизу вверх» подходит для синтеза наноматериалов на основе графена, а не «сверху вниз» из-за неоднородности синтезированных наноматериалов на основе графена, что мешает электронным устройствам на основе наноматериалов графена для биомедицинских применений. Размер, толщина и количество слоев варьируются в зависимости от исходного материала, исполь­зуемого в синтезе графена [1]. Графен был синтезирован из графита путем механического расщепления (метод скотча), расслоения жидкой фазы, восстановления оксида / фторида графита интеркалирование и расслоение соединений из неграфитовых источников посредством эпитаксиального разложения карбида кремния, роста химического осаждения из паровой фазы (CVD) и химического синтеза снизу вверх [10]. ГО можно синтезировать по методу Хаммера путем окислительного отслоения графита с использованием H₂SO₄ / KMnO₄ [11]. Кроме того, ВГO был получен из ГО с использованием восстановителей гидразина, гидразингидрата, L-аскорбиновой кислоты и борогидрида натрия [7]. Графеновые нанокомпозиты были приготовлены вместе с наночасти­цами металла и оксида металла с помощью синтетических процедур. Эти синтетические подходы имеют такие проблемы, как получение однородности ГO с помощью стратегии сверху вниз и контроль функциональных групп на ГO, что повлияет на качество и свойства наноматериалов на основе графена [12]. Чтобы лучше контролировать размер и морфологию модифицированных ГО, предпочтителен «метод связывания», не влияющий на структуру графена. Метод связывания также имеет свои ограничения в контроле размера, эффективности связывания, стабильности наноматериалов графена и поддержании расстояния между флуоресцентными компонентами ГO и ВГО [12]. Кроме того, функционализация ГO является жизненно важным шагом для улучшения наноматериалов графена для биомедицинских приложений. Ковалентные и нековалентные подходы облегчают поверхностную функционализацию наноматериалов графена для улучшения раствори­мости, селективности и биосовместимости [13].

Как правило, большинство подходов к синтезу включают хими­ческие восстановители; поэтому исследователи придумали экологичные методы, использующие бактерии, фитоэкстракты и биомолекулы во время синтеза, чтобы избежать опасного воздействия химических агентов [14].

Поверхностная функциональность наноматериалов графена явля­ется важным шагом для дальнейшего биомедицинского применения. Исследователи изучали возможности улучшения биосовместимости, растворимости и селективности с использованием различных полимеров и макромолекул, таких как полиэтиленгликоль (ПЭГ), поливинилпир­ролидон (ПВП), хитозан, дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), ферменты и белки [15].

Список литературы:

1. D.R. Dreyer, R.S. Ruoff, C.W. Bielawski, From conception to realization: an historical account of graphene and some per-spectives for its future. Angew. Chem. Int. Edit. 49(49), 9336–9344 (2010). https://doi.org/10.1002/anie.201003024.
2. G. Eda, M. Chhowalla, Graphene-based composite thin films for electronics. Nano Lett. 9(2), 814–818 (2009). https://doi.org/10. 1021/nl8035367.
3. C. Cha, S.R. Shin, N. Annabi, M.R. Dokmeci, A. Khademhos-seini, Carbon-based nanomaterials: multifunctional materials for biomedical engineering. ACS Nano 7(4), 2891–2897 (2013). https://doi.org/10.1021/nn401196a.
4. J.M. Yoo, J.H. Kang, B.H. Hong, Graphene-based nanomaterials for versatile imaging studies. Chem. Soc. Rev. 44(14), 4835–4852 (2015). https://doi.org/10.1039/c5cs00072f.
5. G. Bottari, M.A. Herranz, L. Wibmer, M. Volland, L. Rodrı-guez-Pe´rez et al., Chemical functionalization and characteriza-tion of graphene-based materials. Chem. Soc. Rev. 46(15), 4464–4500 (2017). https://doi.org/10.1039/c7cs00229g.
6. G. Shim, M.-G. Kim, J.Y. Park, Y.-K. Oh, Graphene-based nanosheets for delivery of chemotherapeutics and biological drugs. Adv. Drug Deliver. Rev. 105, 205–227 (2016). https:// doi.org/10.1016/j.addr.2016.04.004.
7. S. Pei, H.-M. Cheng, The reduction of graphene oxide. Carbon 50(9), 3210–3228 (2012). https://doi.org/10.1016/j.carbon.2011. 11.010.
8. H.C. Schniepp, J.L. Li, M.J. McAllister, H. Sai, M. Herrera-Alonso et al., Functionalized single graphene sheets derived from splitting graphite oxide. J. Phys. Chem. B 110(17), 8535–8539 (2006). https://doi.org/10.1021/jp060936f.
9. G. Reina, J.M. Gonza´lez-Domı´nguez, A. Criado, E. Va´zquez, A. Bianco, M. Prato, Promises, facts and challenges for graphene in biomedical applications. Chem. Soc. Rev. 46(15), 4400–4416 (2017). https://doi.org/10.1039/c7cs00363c.
10. K.E. Whitener, P.E. Sheehan, Graphene synthesis. Diam. Relat. Mater. 46, 25‑34 (2014). https://doi.org/10.1016/j.diamond. 2014.04.006.
11. J. Xu, Y. Wang, S. Hu, Nanocomposites of graphene and gra-phene oxides: synthesis, molecular functionalization and appli-cation in electrochemical sensors and biosensors. A review. Microchim. Acta 184(1), 1–44 (2016). https://doi.org/10.1007/ s00604-016-2007-0.
12. J. Lin, X. Chen, P. Huang, Graphene-based nanomaterials for bioimaging. Adv. Drug Deliver. Rev. 105, 242–254 (2016). https://doi.org/10.1016/j.addr.2016.05.013.
13. P. Huang, S. Wang, X. Wang, G. Shen, J. Lin et al., Surface functionalization of chemically reduced graphene oxide for targeted photodynamic therapy. J. Biomed. Nanotechnol. 11(1), 117–125 (2015). https://doi.org/10.1166/jbn.2015.2055.
14. M. Agharkar, S. Kochrekar, S. Hidouri, M.A. Azeez, Trends in green reduction of graphene oxides, issues and challenges: a review. Mater. Res. Bull. 59, 323–328 (2014). https://doi.org/10. 1016/j.materresbull.2014.07.051.
15. H. Zhang, G. Gru¨ner, Y. Zhao, Recent advancements of gra-phene in biomedicine. J. Mater. Chem. B 2013(1), 2542–2567 (2013). https://doi.org/10.1039/c3tb20405g.