Investigation of the conductive properties of composite polymer materials based on polyvinylpyrrolidone doped with single and double-walled nanotubes

封面

如何引用文章

全文:

详细

Background and Objectives: Today, conductive polymers are one of the most dynamically developing fields of materials science, combining chemistry, physics and nanotechnology. Conductive polymers are particularly in demand in the fields of flexible electronics, energy, and biomedicine. In this regard, there has been a sharp increase in interest in polymer nanocomposites based on carbon nanotubes due to their unique combination of properties unattainable by traditional polymers. The new materials will be able to combine high conductivity with lightness and biocompatibility. This will create new opportunities for innovative technologies. In this work, the well-known polymer polyvinylpyrrolidone and carbon nanotubes are selected as the main objects. A theoretical study has been conducted on the possibility of creating the stable complex “Polymer – Carbon nanotubes”. Materials and Methods: In this paper, the quantum chemical method of density functional theory is used to study the structural features, interaction mechanisms, and electron-energy structure of a polyvinylpyrrolidone-based nanocomposite doped with carbon nanotubes. A hybrid approximation method, namely the B3LYP method, was chosen to study the system. The calculations were performed using a valence-split 3-21G type basic set. Results: The effect of CNT layering on the adsorption interaction of a complex consisting of a fragment of a polyvinylpyrrolidone polymer and a molecular cluster of a carbon nanotube has been studied. For this purpose, single- and double-walled carbon nanotubes were used. The analysis of maps of electrostatic potentials and charge distributions in the considered systems has made it possible to explain the mechanism of interaction between the components of polymer composites for the selected polymer and nanotubes. Next, the electron-energy structure of the obtained polymer nanocomposites has been analyzed. Based on the data obtained, a conclusion has been made about the conductive properties of the resulting complex. Conclusion: The results obtained demonstrate the prospects of using carbon nanotubes for targeted modification of the electrophysical properties of polymer matrices and the creation of functional nanocomposite materials with specified conductive characteristics. 

作者简介

Lusine Elbakyan

Volgograd State University

ORCID iD: 0009-0006-1014-240X
SPIN 代码: 4950-7497
Scopus 作者 ID: 56295199500
Volgograd State University

Irina Zaporotskova

Volgograd State University

SPIN 代码: 9816-7704
Volgograd State University

参考

  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

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».