Исследование влияния борных примесей замещения в углеродных нанотрубках на процесс взаимодействия полиметилметакрилата с бороуглеродными нанотрубками
Л.С. Элбакян, И.В. Запороцкова
ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный университет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.906
Оригинальная статья
Аннотация: Проведен анализ влияния борных примесей на адсорбционную активность модифицированных бором углеродных нанотрубок в отношении метилметакрилата. Исследование по адсорбции метилметакрилата может внести вклад в понимание механизмов сорбции и помочь в разработке новых функциональных материалов. Для полноты картины в рамках исследования изучено влияние концентрации бора (от ~16% до 50%) на конечные свойства композита. Для прогнозирования возможности создания стабильного комплекса «полимер-углеродная нанотрубка» выполнено теоретическое исследование с применением квантово-химического метода функционала плотности. Результаты сравнивались с ранее полученными результатами исследования чистых углеродных нанотрубок со структурной единицей метилметакрилата. Установлено, что молекулы полиметилметакрилата адсорбируются на поверхности бороуглеродной нанотрубки с значительно большей энергией (~45-50%), чем на чистой углеродной нанотрубке. Результаты расчётов электронной структуры и электростатических потенциалов показали, что в ходе взаимодействия между бороуглеродной нанотрубкой и мономером метилметакрилата происходит значительное перераспределение электронной плотности. Это выражается в увеличении положительного заряда на атоме бора и росте отрицательного заряда на карбонильном кислороде мономера, что свидетельствует о возникновении сильного донорно-акцепторного и кулоновского притяжения между ними. В результате было смоделировано строение комплекса бороуглеродной нанотрубки с метилметакрилатом. Его устойчивость обеспечивается физической адсорбцией, сопровождающейся значительным кулоновским вкладом. Таким образом, бороуглеродные нанотрубки, будучи полупроводниками p-типа, могут обеспечить лучший контроль над электропроводностью композита и создать новые пути для применения в гибкой электронике и сенсорах. Также можно ожидать существенного увеличения прочности на разрыв, модуля упругости и ударной вязкости композита при одинаковой степени наполнения благодаря эффективной передаче нагрузки с полимерной матрицы на армирующие бороуглеродные нанотрубки.
Ключевые слова: полиметилметакрилат, бороуглеродные нанотрубки, полимерные нанокомпозиты, метод функционала плотности, адсорбционное взаимодействие, электростатический потенциал
- Элбакян Лусине Самвеловна – к.ф.-м.н., доцент кафедры судебной экспертизы и физического материаловедения Института приоритетных технологий, ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный университет»
- Запороцкова Ирина Владимировна – д.ф.-м.н., профессор, директор Института приоритетных технологий, ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный университет»
Ссылка для цитирования:
Элбакян, Л.С. Исследование влияния борных примесей замещения в углеродных нанотрубках на процесс взаимодействия полиметилметакрилата с бороуглеродными нанотрубками / Л.С. Элбакян, И.В. Запороцкова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 906-915. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.906. ⎘
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Elbakyan, L.S. Composite nanomaterials based on polymethylmethacrylate doped with carbon nanotubes and nanoparticles: a review / L.S. Elbakyan, I.V. Zaporotskova // Polymers. – 2024. – V. 16. – I. 9. – Art. № 1242. – 13 p. DOI: 10.3390/polym16091242.
2. Frazer, R.Q. PMMA: An essential material in medicine and dentistry / R.Q. Frazer, R.T. Byron, P.B. Osborne, K.P. West // Journal of Long-Term Effects of Medical Implants. – 2005. – V. 15. – I. 6. – P. 629-639. DOI: 10.1615/jlongtermeffmedimplants.v15.i6.60.
3. Bettencourt, A. Safety assessment of poly(methylmethacrylate) nanomaterials for drug delivery: genotoxicity in mammalian cells / A. Bettencourt, D. Graça, A. Matos et al. // Toxicology Letters. – 2015. – V. 238. – I. 2 (supplement). – P. S208. DOI: 10.1016/j.toxlet.2015.08.619.
4. Кaur, H. Applications of poly(methyl methacrylate) polymer in dentistry: a review / H. Кaur, A.Thakur // Materials Today: Proceedings. – 2021. – V. 50. – Part 5. – P. 1619-1625. DOI: 10.1016/j.matpr.2021.09.125.
5. Said, M.N.A. Polymerization and applications of poly(methyl methacrylate)-graphene oxide nanocomposites: a review / M.N.A. Said, N.A. Hasbullah, M.R.H. Rosdi et al. // ACS Omega. – 2022. – V. 7. – I. 51. – P. 47490-47503. DOI: 10.1021/acsomega.2c04483.
6. Dimitrova, M. Comparison between conventional PMMA and 3D printed resins for denture bases: a narrative review / M. Dimitrova, M. Corsalini, R. Kazakova et al. // Journal of Composites Science. – 2022. – V. 6. – I. 3. – Art. № 87. – 13 p. DOI: 10.3390/jcs6030087.
7. Wang, H. Nanocomposite of graphene oxide encapsulated in polymethylmethacrylate (PMMA): pre-modification, synthesis, and latex stability / H. Wang, L. Wang, S. Meng et al. // Journal of Composites Science. – 2020. – V. 4. – I. 3. – Art. № 118. – 17 p. DOI: 10.3390/jcs4030118.
8. Ali, A. Carbon nanotube characteristics and enhancement effects on the mechanical features of polymer-based materials and structures – A review / A. Ali, S.S.R. Koloor, A.H. Alshehri, A. Arockiarajan // Journal of Materials Research and Technology. – 2023. – V. 24. – P. 6495-6521. DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.04.072.
9. Zaporotskova, I. Study of modification of carbon univariate nanostructures with boron atoms impurities / I. Zaporotskova, S. Boroznin, N. Boroznina // Journal of Physics: Conference. – 2021. – V. 1967. – Art. № 012045. – 6 p. DOI: 10.1088/1742-6596/1967/1/012045.
10. Boroznina, N. Sensors based on amino group surface-modified CNTs / N. Boroznina, I. Zaporotskova, S. Boroznin, E. Dryuchkov // Chemosensors. – 2019. – V.7. – I. 1. – Art. № 11. – 8 p. DOI: 10.3390/chemosensors7010011.
11. Fuchs, M. Ab initio pseoudopotentials for electronic structure calculations of poly-atomic systems using density-functional theory / M. Fuchs, M. Scheffler // Computer Physics Communications. – 1999. – V. 119. – I. 1. – P. 67-98. DOI:10.1016/S0010-4655(98)00201-X.
12. Beckstedte, M. Density functional theory calculations for poly-atomic systems: electronic structure, static and elastic properties and ab initio molecular dynamics / M. Beckstedte, A. Kley, J. Neugebauer et al. // Computer Physics Communications. – 1997. – V. 107. – I. 1-3. – P. 187-222. DOI: 10.1016/S0010-4655(97)00117-3.
13. Perdew, J.P. Self-interaction correction to density functional approximation for many-electron systems / J.P. Perdew, A. Zunger // Physical Review B. – 1981. – V. 23. – I. 1. – P. 5048-5079. DOI: 10.1103/PhysRevB.23.5048.
14. Tomasi, J. Models and modeling in theoretical chemistry / J. Tomasi // Journal of Molecular Structure: THEOCHEM. – 1988. – V. 179. – I. 1. – P.273-292. DOI: 10.1016/0166-1280(88)80128-3.
15. Ichkitidze, L.P. Flexible electrically conductive films based on biocompatible composite material / L.P. Ichkitidze, K.D. Popovich, V.V. Suchkova et al. // Journal of Technical Physics. – 2025. – V. 70. – I. 3. – P. 601-610. DOI: 10.61011/TP.2025.03.60867.285-24.
16. Jorio, A. Carbon nanotubes. Advanced topics in the synthesis, structure, properties and applications / A. Jorio, G. Dresselhaus, M. S. Dresselhaus // In: Topics in Applied Physics. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2008. – V. 111. – XXIV+720 p. DOI: 10.1007/978-3-540-72865-8.
17. Curtiss, L.A. Gaussian-3 (G3) theory for molecules containing first and second-row atoms / L.A. Curtiss, K. Raghavachari, P.C. Redfern et al. // The Journal of Chemical Physics. – 1998. – V. 109. – I. 18. – P. 7764-7776 DOI: 10.1063/1.477422.
18. Zaporotskova, I.V. Obtaining new dental materials reinforced with carbon nanotubes / I.V. Zaporotskova, L.S. Elbakyan // Journal of Nano- and Electronic Physics. – 2014. – V. 6. – № 3. – P. 03008-1-03008-3.
19. Zaporotskova, I.V. The mechanism of interaction of esters of methacrylic acid with carbon nanotubes to create a new polymer composite material / I.V. Zaporotskova, L.S. Elbakyan // Journal of Nano- and Electronic Physics. – 2016. – V. 8. – № 3. – P. 03047-1-03047-3. DOI: 10.21272/jnep.8(3).03047.