Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)

Для цитирования:

Элбакян Л. С., Запороцкова И. В. Исследование проводящих свойств композитных полимерных материалов на основе поливинилпирролидона, допированных одно- и двухслойными нанотрубками // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025. Т. 25, вып. 4. С. 495-504. DOI: 10.18500/1817-3020-2025-25-4-495-504, EDN: XKDYPG

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
28.11.2025
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 8)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Нанотехнологии, наноматериалы и метаматериалы
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
538.9
DOI: 
10.18500/1817-3020-2025-25-4-495-504
EDN: 
XKDYPG

Исследование проводящих свойств композитных полимерных материалов на основе поливинилпирролидона, допированных одно- и двухслойными нанотрубками

Авторы: 
Элбакян Лусине Самвеловна, Волгоградский государственный университет
Запороцкова Ирина Владимировна, Волгоградский государственный университет
Аннотация: 

На сегодняшний день проводящие полимеры являются одной из самых динамично развивающихся областей материаловедения, объединяя химию, физику и нанотехнологии. Проводящие полимеры особенно востребованы в области гибкой электроники, энергетики и биомедицины. В связи с этим резко возрос интерес к полимерным нанокомпозитам на основе углеродных нанотрубок благодаря их уникальному сочетанию свойств, недостижимому для традиционных полимеров. Новые материалы смогут сочетать в себе высокую проводимость с лёгкостью и биосовместимостью, открывая новые возможности к инновационным технологиям.

В данной работе в качестве основных объектов выбран известный полимер поливинилпирролидон и углеродные нанотрубки. Проведено теоретическое исследование возможности создания стабильного комплекса «Полимер-Углеродные нанотрубки» с использованием квантово-химического расчетного метода теории функционала плотности. Исследовано влияние слойности углеродных нанотрубок на адсорбционное взаимодействие комплекса, состоящего из фрагмента полимера поливинилпирролидон и молекулярного кластера углеродной нанотрубки. Для этого использованы одно- и двуслойные углеродные нанотрубки. Анализ карт электростатических потенциалов и зарядовых распределений в рассмотренных системах позволил объяснить механизм взаимодействия компонентов полимерных композитов для выбранного полимера и нанотрубок. Далее проведен анализ электронно-энергетического строения полученных полимерных нанокомпозитов. На основании полученных данных сделан вывод о проводящих свойствах полученного комплекса.

Ключевые слова: 
поливинилпирролидон
одно- и двуслойные углеродные нанотрубки
метод теории функционала плотности (DFT)
адсорбционное взаимодействие
электронно-энергетическое строение
полимерные нанокомпозиты
проводящие свойства
Благодарности: 
Работа выполнена в рамках Государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации («FZUU-2023-0001»).
Список источников: 
  1. Green M. J., Bhabtu N., Pasquali M., Adams W. W. Nanotubes as polymers. Polymer, 2009, vol. 50, iss. 21, pp. 4979–4997. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2009.07.044
  2. Ribeiro B., Botelho E. C., Costa M. L., Bandeira C. F. Carbon nanotube buckypaper reinforced polymer composites: A review. Polímeros, 2017, vol. 27, no. 3, pp. 247–255. https://doi.org/10.1590/0104-1428.03916
  3. Jorio A., Dresselhaus G., Dresselhaus M. S. Carbon Nanotubes: Advanced topics in the synthesis, structure, properties and applications. Berlin, Springer, 2008. XXIV, 720 p. https://doi.org/10.1007/978-3-540-72865-8
  4. Liu Y., Kumar S. Polymer/carbon nanotube nano composite fibers – A review. ACS Applied Materials & Interfaces, 2014, vol. 6, iss. 9, pp. 6069–6087. https://doi.org/10.1021/am405136s
  5. Alamry A., Rahimian S. S. K., Abdullah A. H., Arockiarajan A. Carbon nanotube characteristics and enhancement effects on the mechanical features of polymer-based materials and structures – A review. Journal of Materials Research and Technology, 2023, vol. 24, no. 5, pp. 6495–6521. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.04.072
  6. Elbakyan L. S., Zaporotskova I. V. Composite nanomaterials based on polymethylmethacrylate doped with carbon nanotubes and nanoparticles: A review. Polymers, 2024, vol. 16, no. 9, art. 1242. https://doi.org/10.3390/polym16091242
  7. Elbakyan L. S., Zaporotskova I. V. Polypropylene modified with carbon nanomaterials: Structure, properties and application possibilities (A review). Polymers, 2025, vol. 17, no. 4, art. 517. https://doi.org/10.3390/polym17040517
  8. Spitalsky Zd., Tasis D., Papagelis K., Galiotis C. Carbon nanotube–polymer composites: Chemistry, processing, mechanical and electrical. Progress in Polymer Science, 2010, vol. 35, iss. 3, pp. 357–401. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2009.09.003
  9. Fuchs M., Scheffler M. Ab initio pseoudopotentials for electronic structure calculations of poly-atomic systems using density-functional theory. Comp. Phys. Commun., 1999, vol. 119, pp. 67–98. https://doi.org/10.1016/S0010-4655(98)00201-X
  10. Beckstedte M., Kley A., Neugebauer J., Scheffler M. Density functional theory calculations for poly-atomic systems: Electronic structure, static and elastic properties and ab initio molecular dynamics. Comp. Phys. Commun., 1997, vol. 107, pp. 187–205. https://doi.org/10.1016/S0010-4655(97)00117-3
  11. Perdew J. P., Zunger A. Self-interaction correction to density functional approximation for many-electron systems. Phys. Rev. B, 1981, vol. 23, no. 10, pp. 5048–5079. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.23.5048
  12. Becke A. D. Density-functional exchange-energy approximation with correct asymptotic behavior. Phys. Rev. A, 1988, vol. 38, no 6, pp. 3098–3100. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.38.3098
  13. Reiher M., Salomon O., Hess B. A. Reparameterization of hybrid functionals based on energy differences of states of different multiplicity. Theor. Chem. Acc., 2001, vol. 107, iss. 1, pp. 48–55. https://doi.org/10.1007/s00214-001-0300-3
  14. Koch W., Holthausen M. C. A Chemist’s Guide to Density Functional Theory. 2nd ed. Weinheim, New York, Wiley-VCH, 2001. XIII, 300 p. https://doi.org/10.1002/3527600043
  15. Elbakyan L. S., Hayrapetyan D. B., Mantashyan P. A. DFT study of GaAs quantum dot and 5CB liquid crystal molecule interaction. J. of Molecular Graphics and Modelling, 2025, vol. 136, art.108953. https://doi.org/10.1016/j.jmgm.2025.108953
  16. Ichkitidze L. P., Popovich K. D., Suchkova V. V., Ryabkin D. I., Petukhov V. A., Telyshev D. V., Selishchev S. V., Gerasimenko A. Yu. Flexible electrically conductive films based on biocompatible composite material. Technical Physics, 2025, vol. 95, iss. 3, pp. 643–652. https://doi.org/10.61011/JTF.2025.03.59872.285-24 (in Russian).
  17. Malka E., Margel S. Engineering of PVA/PVP hydrogels for agricultural applications. Gels, 2023, vol. 9, iss. 11, art. 895. https://doi.org/10.3390/gels9110895
  18. Gökmeşe F., Uslu İ., Aytimur A. Preparation and characterization of PVA/PVP nanofibers as promising materials for wound dressing. Polymer-Plastics Technology and Engineering, 2013, vol. 52, iss. 12, pp. 1259–1265. https://doi.org/10.1080/03602559.2013.814144
  19. Pople J. A. Nobel Lecture: Quantum chemical models. Reviews of Modern Physics, 1999, vol. 71, iss. 5, pp. 1267–1274. https://doi.org/10.1103/revmodphys.71.1267
  20. Electronic motion: Density functional theory (DFT). In: Piela L. Ideas of quantum chemistry. Amsterdam, Elsevier, 2007, ch. 11, pp. 567–614. https://doi.org/10.1016/b978-044452227-6/50012-0
  21. Crisostomo S., Pederson R., Kozlowski J., Kalita B., Cancio A. C., Datchev K., Wasserman A., Song S., Burke K. Seven useful questions in density functional theory. Letters in Mathematical Physics, 2023, vol. 113, no. 2, art. 42. https://doi.org/10.1007/s11005-023-01665-z
  22. Ghaffoori A. J., Abdul-Adheem W. R. A review of carbon nanotubes electrical properties for future nanotechnology applications. J. of AL-Rafidain University College for Sciences, 2019, vol. 45, iss. 2, pp. 207–222. https://doi.org/10.55562/jrucs.v45i2.123
  23. David R. L. CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, CRC Press, 2005, pp. 9-24–9-41.
  24. Baron Ya. M., Ponomareva A. M., Ravdel A. A., Timofeeva Z. N. Kratkii spravochnik fiziko-khimicheskikh velichin [Ravdel A. A., Ponomareva A. M., eds. Brief reference book of physical and chemical quantities]. St. Petersburg, Ivan Fedorov Publ., 2003. 240 p. (in Russian).
  25. Adamson A. W. Physical Chemistry of Surfaces. New York, John Wiley & Sons, Inc., 1976. 728 p. (Russ. ed.: Moscow, Mir, 1979. 568 p.).
  26. Miao R., Liang Y., Zhou G., Deng Y., Wang L., Deng J., Shao Q. Single walled carbon nanotubes band gap width measurement and the influence of nitrogen doping research. Phys. Chem. Chem. Phys., 2024, vol. 26, iss. 3, pp. 1616–1624. https://doi.org/10.1039/d3cp05332f
Поступила в редакцию: 
25.06.2025
Принята к публикации: 
10.09.2025
Опубликована: 
28.11.2025
  • 70 просмотров