Гибкие нательные электроды считывают электрические импульсы, возникающие при работе сердца, позволяя отслеживать состояние сердечно-сосудистой системы. Электроды преобразуют эти сигналы в ток для кардиографа. Для подробной диагностики зачастую нужно носить такое оборудование на теле в течение нескольких суток. Например, когда состояние сердца спортсмена отслеживают во время длительных нагрузок.
Ученые выяснили, что в таких ситуациях чувствительность электрода уменьшается, потому что человек потеет, а вода мешает считыванию сигналов, окисляя материал. А использующиеся сейчас приборы с серебряным покрытием не подходят для длительного мониторинга: серебро чувствительно к статическому электричеству, которое «накапливается» на поверхности кожи, когда мы прикасаемся к каким-то предметам. Поэтому вместо серебра лучше использовать гели. Они также защищают от попадания влаги в пространство между кожей и электродом и изолируют его от статического электричества. Однако гели быстро высыхают, поэтому нужно находить другие возможности для снятия ЭКГ.
Для этого выбрали молекулу F4-TCNQ, содержащую помимо колец из углерода и азота циановые группы (также из углерода и азота) и атомы фтора. Важное свойство предложенного соединения — способность оставаться стабильным при сильных механических деформациях, например, сгибании и скручивании более чем на 15–20%. Когда грудная клетка человека расширяется и сжимается во время вдоха и выдоха или при сгибании и разгибании мышц, деформации доходят до 15–20%. Именно поэтому материал из F4-TCNQ подходит для изготовления датчиков контроля дыхания и частоты сердечных сокращений, давления и подобных, поясняют ученые.
«Методы компьютерного моделирования позволили нам изучить физико-химические свойства нового слоя, не прибегая к экспериментальному синтезу. Дальнейшие исследования позволят определить потенциальные области применения предсказанной нами структуры и дать рекомендации к ее получению», — рассказала исполнитель проекта Анастасия Коровина, младший научный сотрудник, аспирант центра компьютерного моделирования неорганических и композитных наноразмерных материалов Института биохимический физики имени Н. М. Эмануэля РАН.
Исследователи теоретически доказали возможность синтезирования двумерных пленок на основе молекул F4-TCNQ. Раньше подобные материалы создавались только в трехмерном виде. Моделирование показало, что 2D-материал имеет высокую пористость и большую площадь поверхности. Он также может проводить электрический ток. Кроме того, пленка поглощает свет в видимом диапазоне, при этом под действием механических деформаций максимум ее поглощения может сдвигаться в стороны синих или красных длин волн.
Это значит, что возможно будет невооруженным глазом наблюдать изменение цвета пленки, наклеенной на грудную клетку, во время дыхания спортсмена. По изменению цвета специалисты узнают о механических деформациях и особенностях дыхания. Также материал устойчив к высоким температурам и влаге, а значит, пот не будет мешать считывать электрические импульсы.
«Направление будущих исследований связано с нательными электродами. Мы планируем подробнее исследовать, как изменяется оптический отклик при механических деформациях. Например, пленка в обычном состоянии непрозрачна при комнатном освещении, а когда мы ее растягиваем, она становится прозрачной. Это свойство потенциально позволит использовать такие материалы не только для ЭКГ, но и в качестве оптических и механосенсоров», — отметил руководитель проекта Дмитрий Квашнин, старший научный сотрудник, заведующий центром компьютерного моделирования неорганических и композитных наноразмерных материалов Института биохимический физики имени Н. М. Эмануэля РАН.
Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда, опубликованы в журнале FlatChem.
