Телефон: 8-800-350-22-65
WhatsApp: 8-800-350-22-65
Telegram: sibac
Прием заявок круглосуточно
График работы офиса: с 9.00 до 18.00 Нск (5.00 - 14.00 Мск)

Статья опубликована в рамках: LXI Международной научно-практической конференции «Научное сообщество студентов XXI столетия. ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ» (Россия, г. Новосибирск, 26 февраля 2018 г.)

Наука: Физика

Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции

Библиографическое описание:
Кылыярова В.В. РАСЧЕТ ИНФРАКРАСНЫХ СПЕКТРОВ ГРАФЕНОВЫХ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК, ФУНКЦИОНАЛИЗИРОВАННЫХ -NH2, -COOH и -OН // Научное сообщество студентов XXI столетия. ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ: сб. ст. по мат. LXI междунар. студ. науч.-практ. конф. № 2(60). URL: https://sibac.info/archive/nature/2(60).pdf (дата обращения: 29.03.2024)
Проголосовать за статью
Конференция завершена
Эта статья набрала 2 голоса
Дипломы участников
Диплом Выбор редакционной коллегии

РАСЧЕТ ИНФРАКРАСНЫХ СПЕКТРОВ ГРАФЕНОВЫХ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК, ФУНКЦИОНАЛИЗИРОВАННЫХ -NH2, -COOH и -OН

Кылыярова Влада Владимировна

студент, кафедра радиофизики и электронных систем СВФУ,

РФ, г. Якутск

Тимофеева Тамара Егоровна

научный руководитель,

ст. науч. сотр., доцент кафедры радиофизики и электронных систем СВФУ,

РФ, г. Якутск

Введение

В последние годы создаются новые материалы на основе графена и производных графена. Одним из таких материалов являются ГКТ.

ГКТ представляют собой новый углеродный наноматериал с интересными электронными и оптическими свойствами. На практике ГКТ можно получить из оксида графена, органических прекурсоров, в зависимости от них ГКТ имеет различные функциональные группы, которые влияют на оптические свойства ГКТ, в частности, на их ИК спектр. ГКТ имеют потенциал применения в ИК фотодетекторах, в биоизображении клеток в ближней инфракрасной области, наряду с этим они могут найти применение в области термотерапии в онкологии. Таким образом, исследование ИК спектров ГКТ с различными функциональными группами является актуальным. Рост интереса к данному материалу также обусловлен относительной простотой их синтеза, отсутствием токсичности и биосовместимостью материала [1, с. 25].

В данной работе исследуется влияние карбоксильных, гидроксильных групп и аминогруппы NH2 на характер изменения ИК спектров ГКТ различных размеров на основе их компьютерного моделирования и квантово-механического расчета. Расчёты проводились с помощью программы GAMESS (The General Atomic And Molecular Electronic Structure System) с использованием метода Хартри-Фока.

Результаты расчёта и обсуждение

Для расчетов были построены модели ГКТ с семью и девятью ароматическими кольцами с функциональными группами – СООН, -ОН, - NH2 и без функциональных групп.

На рисунках 1а-1г приведены модели ГКТ с семью ароматическими кольцами.

 

Рисунок 1. Модель ГКТ с семью ароматическими кольцами (а – без функциональных групп, б – с карбоксильной группой -COOH, в – с аминогруппой -NH2, г – с гидроксильной группой -OH).

 

На рисунках 2а-2г представлены результаты квантово-химического расчета ИК спектров ГКТ, выполненного методом Хартри - Фока на базисном наборе волновых функций STO-3G [2, с. 274].

 

Рисунок 2. ИК спектры ГКТ с семью ароматическими кольцами ( а – без функциональных групп, б – с карбоксильной группой -COOH, в – с аминогруппой -NH2, г – с гидроксильной группой -OH).

 

Расчетные ИК спектры данных ГКТ отличаются разной интенсивностью, а также количеством пиков. В ГКТ без функциональных групп (рис. 2а) при частоте, равной 1026 см-1, наблюдаются наиболее интенсивные внеплоскостные деформационные колебания атомов водорода. При меньших частотах атомы углерода совершают внеплоскостные колебания, а при больших частотах - внутриплоскостные пульсирующие колебания. Однако активными инфракрасными колебаниями являются валентные антисимметричные колебания атомов углерода и водорода при частоте 3726 см-1. В ГКТ с функциональной карбоксильной группой - COOH (рис.2б) наблюдается расщепление частоты валентных антисимметричных колебаний С-Н на краях чешуйки графена (3711 до 3762 см-1), которые являются инфракрасно-активными колебаниями. У карбоксильной группы -СООН наблюдаются валентные антисимметричные колебания C=O и O-H при частотах 2100 см-1 и 4217 см-1 соответственно. Последняя является инфракрасно активной модой и может наблюдаться в ИК спектре ГКТ. Наиболее интенсивной является линия при частоте 1440 см-1, соответствующая антисимметричным валентным колебаниям атомов С-С, где один атом принадлежит –СООН, и С-ОН карбоксильной группы СООН, инфракрасная активность данной моды низкая.

В случае ГКТ с функциональной аминогруппой –NH2 (рис. 2в) наблюдаются валентные антисимметричные колебания атомов углерода ГКТ и водорода при частотах от 3710 см-1, симметричные валентные колебания N-H аминогруппы при частоте 3897 см-1, веерные колебания аминогруппы NH2 при частоте 2009 см-1, антисимметричные колебания N-H в аминогруппе в комбинации с веерным колебанием атома N при частоте 4076 см-1. Все эти моды являются активными в инфракрасной области колебаний. Таким образом в ИК спектр вносятся дополнительные линии колебаний NH2.

В ГКТ с гидроксильной группой -OH (рис. 2г) инфракрасно активными линиями являются две линии при частоте 4250 см-1, связанной с валентными симметричными колебаниями гидроксильной группы O-H, и при частоте 3735 см-1, связанной с валентными симметричными колебаниями С-Н у атомов С=С ГКТ.

На рисунках 3а-3г приведены изображения ГКТ с девятью ароматическими кольцами.

 

Рисунок 3. ГКТ с 9 ароматическими кольцами (а – без функциональных групп, б – с карбоксильной группой -COOH, в – с аминогруппой -NH2, г – с гидроксильной группой -OH).

 

ИК спектры данных ГКТ представлены на рисунках 4а-4г.

 

Рисунок 4. ИК спектры ГКТ с 9 ароматическими кольцами (а – без функциональных групп, б – с карбосильной группой -COOH, в – с аминогруппой -NH2, г – с гидроксильной группой -OH).

 

В расчетном ИК спектре ГКТ с девятью ароматическими кольцами наблюдаются изменения положений и интенсивностей линий, что обусловлено изменением размера и формы графеновой чешуйки. Количество краев типа зигзаг увеличивается. Значительно увеличивается интенсивность линии при частоте 3705 см-1, связанной с внеплоскостными пульсирующими колебаниями пассивирующих атомов водорода. Данная линия является инфракрасно-активной. В отличие от графеновой чешуйки с семью кольцами, появляется другая инфракрасно-активная частота 1897 см-1, при которой происходят  симметричные валентные колебания краевых атомов углерода ГКТ.

В ГКТ с карбоксильной группой (рис. 4б) в расчетных ИК спектрах появляются дополнительные инфракрасно-активные колебания по сравнению с чешуйкой с семью ароматическими кольцами.  при частоте 2100 см-1. При этой частоте наблюдаются валентные антисиммеричные колебания С=О и С-С связей функциональной группы -СООН. Другими дополнительными инфракрасно-активными линиями являются линии, лежащие в диапазоне часто от 1666 см-1  до 1998 см-1 , при которых  совершают колебания атомы углерода чешуйки ГКТ. Наиболее активная в инфракрасной области частота, при которой совершаются колебания O-H у карбоксильной группы -СООН, смещается от 4217 см-1 к 4289 см-1.

В случае функциональной аминогруппы (рис. 4в) наблюдается увеличение интенсивности колебаний ИК спектра почти при всех частотах по сравнению с ГКТ с семью кольцами (рис. 2в).  Дальнейший сравнительный анализ двух чешуек показывает, что симметричные валентные колебания N-H аминогруппы при частоте 3897 см-1 исчезают, кроме того, частота 3710 см-1, связанная с колебаниями пассивирующих атомов Н, сдвигается в область больших значений. Также дополнительно возникает расширенная полоса инфракрасно-активных частот от 1610 см-1 до 2000 см-1, последняя из которых связана с колебаниями атомов аминогруппы NH2. В ГКТ с гидроксильной группой –ОН в расчетном ИК спектре появляется дополнительная инфракрасно-активная частота 1786 см-1, при которой колеблются гидроксильная группа –ОН с участием близлежащих атомов углерода и водорода графеновой чешуйки. Второй инфракрасно-активной линией является частота 3730 см-1 как в случае ГКТ с семью ароматическими кольцами.

Заключение

Выполнен расчет инфракрасных спектров графеновых квантовых точек, функционализированных группами –NH2, -COOH и –OН, на примере чешуек с семью и девятью ароматическими кольцами.  Расчеты проводились с помощью метода Хартри-Фока на базисном наборе STO-3G с применением программы GAMESS (US), а построение чешуек графена выполнено на GaussView. Сравнительный анализ результатов расчета показал, что форма и размер ГКТ и наличие функциональных групп влияет на частотный состав и интенсивность линий ИК спектров. Сравнительный анализ инфракрасно-активных частот показал, что у ГКТ с функциональными группами появляются дополнительные линии, связанные с колебаниями атомов этих групп. [3, с. 2642]

 

Список литературы:

  1. Олейников В.А. Квантовые точки в биологии и медицине // Природа. – 2010. -№ 3. – С.22 – 27.
  2. Фок В. А. Начала квантовой механики. — М.: Наука, 1976. — 376 с.
  3. Rakovich A., Sukhanova A., Bouchonville N., Lukashev E., Oleinikov V., Artemyev M., Lesnyak V., Gaponik N., Molinari M., Troyon M., Rakovich Y.P., Donegan J.F., Nabiev I. // Nano Lett. 2010. -  P. 2640 – 2648
Проголосовать за статью
Конференция завершена
Эта статья набрала 2 голоса
Дипломы участников
Диплом Выбор редакционной коллегии

Оставить комментарий

Форма обратной связи о взаимодействии с сайтом
CAPTCHA
Этот вопрос задается для того, чтобы выяснить, являетесь ли Вы человеком или представляете из себя автоматическую спам-рассылку.