ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПРИМЕСЕЙ В СПИРТОСОДЕРЖАЩИХ ВЕЩЕСТВАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОСТРУКТУР

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПРИМЕСЕЙ В СПИРТОСОДЕРЖАЩИХ ВЕЩЕСТВАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОСТРУКТУР

А.Н. Панченко, студент

Волгоградский государственный университет

DOI:10.24412/2500-1000-2022-5-2-153-156

Аннотация. В статье представлены результаты обнаружения муравьиного и уксусного альдегидов в спиртосодержащих жидкостях с использованием углеродных нанотру-бок (УНТ). Представлен механизм процесса адсорбции альдегидов на поверхности нано-тубулена, рассмотрена адсорбция на атом углерода и центр углеродного гексагона. Обнаружение альдегидов происходит за счет изменения ширины запрещенной зоны полученных адсорбционных комплексов. Запрещенная зона уменьшается при адсорбции альдегидов на поверхности УНТ. Расчеты выполнены в рамках молекулярной кластерной модели методом MNDO.

Ключевые слова: углеродные нанотрубки, муравьиный альдегид, уксусный альдегид.

Судебная экспертиза, как развивающаяся область знания, с необходимостью должна использовать достижения наиболее современных научных исследований и технологий. Подобный подход может обеспечить разработку и создание новых перспективных методов и методик судебно-экспертных исследований веществ, материалов и изделий, которые обеспечат выполнение высококачественных и наукоемких экспертиз.

В настоящее время одной из наиболее перспективных и бурно развивающихся технологий является нанотехнология [1-2]. Поэтому исследования возможности использования наноматериалов в практике анализа спиртосодержащих жидкостей и, соответственно, в области проведения судебных экспертиз спиртосодержащих жидкостей, являются безусловно актуальными.

Алкогольные напитки содержат некоторое количество этилового спирта. В небольших количествах это органическое вещество не опасно для взрослого человека. Но нет алкоголя, в котором не присутствовали бы различные добавки. Модификаторы вкуса и аромата добавляются туда

специально. А в плохо рафинированных напитках остается небольшое количество токсичных веществ, которые наносят серьезный вред. Альдегиды очень распространены в домашних алкогольных напитках. Альдегиды являются летучими жидкостями. Это препараты, оказывающие выраженное раздражающее действие, особенно на слизистые оболочки глаз и дыхательную систему. Поэтому очень важно уметь определять наличие вредных примесей в алкогольных напитках. В статье исследован механизм адсорбции муравьиного и уксусного альдегидов на поверхности углеродной нанотрубки типа «arm-chair» (6; 6). Расчеты проводились в рамках молекулярной кластерной модели с использованием полуэмпирической схемы MNDO [3].

Объектом исследования стала углеродная нанотрубка (6, 6), которая была смоделирована молекулярным кластером, расширенная ячейка которого включала 120 атомов углерода. Расстояние между атомами углерода трубки составляет 1,4 А. Оборванные связи в конце кластера были закрыты атомами водорода. В качестве адсорбционного центра был выбран атом кислорода молекул альдегидов (рис. 1).

Рис. 1. Расположение молекул альдегидов относительно поверхности УНТ

Рассмотрено несколько вариантов расположения молекул альдегида над поверхностью нанотубулена: 1) молекулы приближаются к атому углерода трубки атомом кислорода; 2) молекулы приближаются к центру углеродного гексагона атомом кислорода. В первом случае молекулы альдегида приблизились к поверхностному атому углерода, расположенному в центре кластера, что позволяет минимизировать влияние краевых эффектов. Процесс адсорбции имитировали поэтапным приближением адсорбированной молекулы с шагом 0,1 А к поверхностному атому углерода вдоль перпендикуляра, проходящего через выбранный атом С. Геометрические параметры системы были оптимизированы на каждом шагу. Процесс моделировали аналогичным образом для варианта 2 ориентации адсорбционного центра над поверхностью УНТ. Молекула альдегида приближается к фиктивной точке, расположенной над центром углеродного шестиугольника.

Расчеты определили, что процесс адсорбции зависит от ориентации молекулы альдегида относительно трубки. Так, когда молекула муравьиного альдегида ориентирована на атом углерода поверхности на расстоянии 1,4 А, между атомом кислоро-

да адсорбированной молекулы и поверхностным атомом трубки образуется химическая связь, энергия адсорбции составляет 3,5 эВ. Для образования адсорбционного комплекса молекула должна преодолеть потенциальный барьер в 2,1 эВ. Приближение молекулы муравьиного альдегида к центру углеродного гексагона позволило установить, что от молекулы альдегида отделяется атом кислорода, который проходит через углеродный гексагон и образует две связи с атомами углерода трубки. В этом случае длина связи равна 1,3 А. Остальная часть молекулы альдегида адсорбируется на внешней поверхности УНТ атомом углерода, который образует две химические связи с атомами трубки; длина связи С-С равна 1,53 А. (рис. 2а). Анализ результатов геометрии приближения молекулы ацетальдегида к центру гексагона позволил установить, что молекула аце-тальдегида без барьерно приближается к центру шестиугольника на расстоянии 1,2 А. Затем молекула смещается к центру связи С-С, в результате чего эта связь разрывается и атом кислорода молекулы аце-тальдегида образует связь с атомами углерода, длина данных С-О равна 1,41 А (рис. 2б).

а) б)

Рис. 2. Взаимодействие альдегидов с поверхностью УНТ: а) разрушение муравьиного альдегида при адсорбции на гексагон УНТ; б) адсорбция уксусного альдегида на поверхности УНТ

Расчеты позволили построить одно-электронные спектры. Обработка результатов расчетов электронного строения преобразованных нанотрубок определила, что уровни молекулярных орбиталей объединяются в зоны (рис. 3). Следует заметить, что образовавшиеся адсорбционные комплексы «УНТ+альдегид» обладают

различными электронно-энергетическими характеристиками по сравнению с чистыми тубуленами. Это проявляется в изменении ширины запрещенной зоны (запрещенная зона уменьшается при адсорбции альдегидов на поверхности УНТ), что как раз и позволяет выявить примеси в спиртосодержащих жидкостях.

Рис. 3. Одноэлектронные энергетические спектры: 1 - УНТ; 2 - УНТ+ муравьиный альдегид; 3 - УНТ+уксусный альдегид.

Заключение

Квантово-химические расчеты установили возможность адсорбции молекулы альдегидов на поверхности УНТ, образовавшиеся адсорбционные комплексы «УНТ+альдегид» обладают различными элетронно-энергетическими характеристиками по сравнению с чистыми тубуленами.

Это проявляется в изменении ширины запрещенной зоны, что как раз и позволяет выявить данную примесь в спиртосодержащих веществах. Полученные результаты и применяемые методики могут быть использованы при проведении комплексных экспертиз спиртосодержащих жидкостей.

Библиографический список

1. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. - М.: ФИЗМТЛИТ, 2005. - 416 с.

2. Какорина О.А. Выявление примесей в воде с помощью наноструктур / О.А. Какорина, И.А. Какорин, А.Н. Панченко // НБИ технологии. - 2020. - Т. 14. - № 4. -С. 39-47. - DOI 10.15688/NBIT.jvolsu.2020.4.6.

3. Dewar M.J.S. Ground states of molecules. The MNDO method. Approximations and Parameters / M.J.S. Dewar, W. Thiel // J. Amer. Chem. Soc. - 1977. - Vol. 99. - P. 4899-4906.

IDENTIFICATION OF THE IMPURITIES IN THE ALCOHOL-CONTAINING SUBSTANCES WITH THE USE OF NANOSTRUCTURES

A.N. Panchenko, Student Volgograd State University

Abstract. The article presents the results of the detection of formic and acetic aldehydes in alcohol-containing liquids using carbon nanotubes (CNTs). The mechanism of the adsorption of aldehydes on the surface of nanotubulene is presented, adsorption on the carbon atom and the center of the carbon hexagon is considered. Aldehydes are detected by changing the band gap of the obtained adsorption complexes. The band gap decreases upon adsorption of aldehydes on the CNT surface. The calculations were performed within the framework of the molecular cluster model by the MNDO method.

Keywords: carbon nanotubes, formic aldehyde, acetaldehyde.