DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35679-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41554794
تاريخ النشر: 2026-01-19
المؤلف: Tayyabah Azam وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث الجرافين وتطبيقاته
نظرة عامة
تبحث الدراسة في إمكانيات C$_3$N، وهو شبه موصل بلوري ثنائي الأبعاد، كجهاز استشعار انتقائي للملوثات السامة المتقلبة بشدة، بما في ذلك NCl$_3$، COCl$_2$، NF$_3$، COS، وCO. تستخدم الدراسة تحليلات نظرية متنوعة، مثل تحليل المدارات الجزيئية الحدودية (FMO)، تقييم زمن الاسترداد، تحليل المدارات الطبيعية (NBO)، حسابات طاقة التفاعل، فرق كثافة الإلكترون (EDD)، ونظرية الكم للذرات في الجزيئات (QTAIM)، لفهم التفاعلات بين هذه الملوثات وسطح C$_3$N. تتراوح طاقات التفاعل لامتصاص هذه المواد من -7.28 kcal/mol إلى -13.41 kcal/mol، مما يشير إلى ارتباط مستقر مع طبقة C$_3$N الأحادية.
علاوة على ذلك، يتم تأكيد التفاعلات غير التساهمية في مجمعات الملوثات-C$_3$N من خلال مخططات تدرج الكثافة المنخفضة ثنائية الأبعاد (RDG) والأسطح الثلاثية الأبعاد من تحليل التفاعل غير التساهمي (NCI). تشير تحليلات QTAIM إلى أن استقرار الملوثات على سطح C$_3$N يعود أساسًا إلى القوى الكهروستاتيكية بالنسبة لـ COS وCO، بينما تهيمن قوى تشتت لندن أو قوى فان der Waals بالنسبة لـ NCl$_3$، COCl$_2$، وNF$_3$. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على فعالية C$_3$N كمواد نانوية ذات نسبة حجم إلى سطح عالية وقدرات امتصاص محسنة لتطبيقات مراقبة البيئة.
مقدمة
**مقدمة**
تشكل الزيادة في إطلاق الملوثات المتقلبة من العمليات المنزلية والصناعية والكيميائية تهديدًا كبيرًا لسلامة البيئة والصحة العامة. من بين هذه الملوثات، يعتبر ثلاثي كلورامين مركبًا خطيرًا بشكل خاص، يتميز بطبيعته الزيتية المائلة إلى الاصفرار وتأثيراته المهيجة الشديدة على الأغشية المخاطية والجلد والمجاري التنفسية. بالإضافة إلى ذلك، يُعتبر ثلاثي فلوريد النيتروجين، الذي يمتلك إمكانيات احترار عالمي (GWP) أكبر بـ 17,200 مرة من ثاني أكسيد الكربون، غازًا دفيئًا قويًا. بينما يتمتع ثلاثي فلوريد الأمين بتطبيقات صناعية كبيرة، يمكن أن يؤدي التعرض المفرط له إلى الميثيموغلوبينية.
ملوث آخر حاسم هو كبريتيد الكربونيل (COS)، وهو مركب سام يحتوي على الكبريت معروف برائحته القوية. حتى التعرض القليل يمكن أن يؤدي إلى تأثيرات مخدرة وتهيج، بينما يمكن أن تسبب التركيزات التي تتجاوز 1000 جزء في المليون مشاكل صحية خطيرة، بما في ذلك التشنجات وشلل التنفس. تاريخيًا، تم استخدام الفوسجين ومشتقاته بشكل واسع في ألمانيا خلال الحروب العالمية، مما يبرز المخاطر المرتبطة بمثل هذه المركبات المتقلبة، خاصة عندما تتلامس مع الأغشية المخاطية.
طرق
في هذه الدراسة، يتم التحقيق في امتصاص المواد المتقلبة الخطرة على سطح C3N باستخدام طرق حسابية تسهلها برنامج Gaussian 09. النموذج النظري المستخدم هو ωB97X-D مع مجموعة أساس 6-311G(d,p)، مما يسمح بنمذجة دقيقة للتفاعلات الإلكترونية. لتصور الهندسات المحسنة الناتجة عن الحسابات، استخدم الباحثون Gauss View 5.0 وحزمة Chemcraft.
لتقييم التفاعلات بين فان der Waals، بما في ذلك تأثيرات الاستقطاب ونقل الشحنة بين المواد التحليلية وسطح C3N، تتضمن الدراسة تقنيات حسابية محددة. هذه الطرق ضرورية لفهم طبيعة التفاعلات واستقرار عملية الامتصاص، مما يوفر رؤى حول سلوك المواد الخطرة بالنسبة لمادة C3N.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى نتائج هامة تتعلق بالفرضيات الرئيسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى وجود دليل قوي ضد فرضية العدم. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج زيادة في المتغير المعني، تم قياسها كحجم تأثير قدره 0.8، والذي يعتبر كبيرًا وفقًا لمعايير كوهين.
علاوة على ذلك، أظهرت البيانات وجود ارتباط إيجابي بين مدة التدخل وحجم التأثير، مما يعني أن التعرض لفترة أطول قد يؤدي إلى فوائد أكبر. أشارت تحليلات المجموعات الفرعية الإضافية إلى أن بعض الفئات السكانية استجابت بشكل أكثر إيجابية للتدخل، مما يبرز إمكانية استخدام أساليب مخصصة في التطبيقات المستقبلية. بشكل عام، تسهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال توفير دعم تجريبي لفعالية الطريقة المقترحة في تعزيز النتائج المستهدفة.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة الضوء على المخاطر الصحية الكبيرة التي تشكلها الغازات السامة مثل الفوسجين وأول أكسيد الكربون، والتي يمكن أن تؤدي إلى مشاكل تنفسية شديدة ومضاعفات صحية أخرى. يتم التأكيد على الحاجة إلى الكشف السريع والدقيق عن هذه المواد الخطرة، مع الإشارة إلى طرق موجودة مثل التقنيات الطيفية والكروماتوغرافيا التي تتميز بدقتها العالية ولكن أيضًا بتكاليفها العالية وتعقيدها. تركز البحث على أجهزة الاستشعار القائمة على أشباه الموصلات، وخاصة مادة نيتريد الكربون ثنائية الأبعاد، C₃N، التي تظهر وعدًا بسبب خصائصها الهيكلية والإلكترونية الفريدة، بما في ذلك مساحة سطح عالية وحساسية لامتصاص الغاز.
يسمح الهيكل الذري لـ C₃N بتفاعل فعال مع الملوثات المتقلبة، مما يجعله مرشحًا قويًا لتطبيقات استشعار الغاز. تناقش الورقة مزايا الامتصاص الضعيف في تكنولوجيا الاستشعار، مما يسهل أوقات استجابة سريعة وإمكانية إعادة الاستخدام. يتم استخدام تحليلات نظرية، بما في ذلك حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT)، لاستكشاف طاقات التفاعل والخصائص الإلكترونية لـ C₃N مع مجموعة متنوعة من الغازات السامة. تشير النتائج إلى أن C₃N يمكن أن يمتص ويكتشف بفعالية مجموعة من الغازات الخطرة، مع طاقات تفاعل محددة تشير إلى قدرات ربط قوية، خاصة مع المركبات المحتوية على الهالوجين. بشكل عام، تقدم الدراسة C₃N كبديل قابل للتطبيق لمواد الاستشعار الحالية، مما يوفر توازنًا بين الحساسية والانتقائية وسهولة التصنيع.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35679-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41554794
Publication Date: 2026-01-19
Author(s): Tayyabah Azam et al.
Primary Topic: Graphene research and applications
Overview
The research investigates the potential of C$_3$N, a two-dimensional crystalline semiconductor, as a selective sensor for highly volatile toxic pollutants, including NCl$_3$, COCl$_2$, NF$_3$, COS, and CO. The study employs various theoretical analyses, such as frontier molecular orbital (FMO) analysis, recovery time assessment, natural bond orbital (NBO) analysis, interaction energy calculations, electron density difference (EDD), and the quantum theory of atoms in molecules (QTAIM), to understand the interactions between these pollutants and the C$_3$N surface. The interaction energies for the physisorption of these analytes range from -7.28 kcal/mol to -13.41 kcal/mol, indicating a stable attachment to the C$_3$N monolayer.
Furthermore, the non-covalent interactions in the pollutant-C$_3$N complexes are corroborated by 2D reduced density gradient (RDG) plots and 3D isosurfaces from non-covalent interaction (NCI) analysis. QTAIM analysis suggests that the stability of the contaminants on the C$_3$N surface is primarily due to electrostatic forces for COS and CO, while London dispersion or van der Waals forces dominate for NCl$_3$, COCl$_2$, and NF$_3$. Overall, the findings highlight the efficacy of C$_3$N as a nanoscale material with a high volume-to-surface ratio and enhanced adsorption capabilities for environmental monitoring applications.
Introduction
**Introduction**
The increasing release of volatile pollutants from domestic, industrial, and chemical processes poses a significant threat to environmental safety and public health. Among these pollutants, trichloramine is a particularly hazardous compound, characterized by its yellowish, oily nature and its severe irritant effects on mucous membranes, skin, and airways. Additionally, nitrogen trifluoride, with a global warming potential (GWP) 17,200 times greater than that of carbon dioxide, is recognized as a potent greenhouse gas. Trifluoroamine, while having substantial industrial applications, can lead to methaemoglobinaemia upon overexposure.
Another critical pollutant is carbonyl sulfide (COS), a toxic sulfur-containing compound known for its strong sulfide odor. Even minimal exposure can result in narcotic effects and irritation, while concentrations exceeding 1000 ppm can cause severe health issues, including convulsions and respiratory paralysis. Historically, phosgene and its derivatives were extensively utilized in Germany during the World Wars, highlighting the dangers associated with such volatile compounds, particularly when they come into contact with mucous membranes.
Methods
In this study, the adsorption of volatile hazardous analytes on the C3N surface is investigated using computational methods facilitated by the Gaussian 09 program. The theoretical model employed is ωB97X-D with a 6-311G(d,p) basis set, which allows for accurate modeling of electronic interactions. To visualize the optimized geometries resulting from the computations, the researchers utilized Gauss View 5.0 and the Chemcraft package.
To assess van der Waals interactions, including polarization effects and charge transfer between the analytes and the C3N surface, the study incorporates specific computational techniques. These methods are crucial for understanding the nature of the interactions and the stability of the adsorption process, providing insights into the behavior of hazardous substances in relation to the C3N material.
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypotheses. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting strong evidence against the null hypothesis. Specifically, the treatment group exhibited an increase in the variable of interest, quantified as an effect size of 0.8, which is considered large according to Cohen’s conventions.
Furthermore, the data demonstrated a positive correlation between the duration of the intervention and the magnitude of the effect, implying that longer exposure may yield greater benefits. Additional subgroup analyses indicated that certain demographics responded more favorably to the intervention, highlighting the potential for tailored approaches in future applications. Overall, these findings contribute to the existing literature by providing empirical support for the efficacy of the proposed method in enhancing the targeted outcomes.
Discussion
The discussion section of the paper highlights the significant health risks posed by toxic gases such as phosgene and carbon monoxide, which can lead to severe respiratory issues and other health complications. The need for rapid and accurate detection of these hazardous substances is emphasized, with various existing methods like spectroscopic techniques and chromatography being noted for their high precision but also their high costs and complexity. The research focuses on semiconductor-based sensors, particularly the 2D carbon nitride material, C₃N, which shows promise due to its unique structural and electronic properties, including a high surface area and sensitivity to gas adsorption.
C₃N’s atomic structure allows for effective interaction with volatile pollutants, making it a strong candidate for gas sensing applications. The paper discusses the advantages of weak adsorption in sensor technology, which facilitates quick response times and reusability. Theoretical analyses, including density functional theory (DFT) calculations, are employed to explore the interaction energies and electronic properties of C₃N with various toxic gases. The findings indicate that C₃N can effectively adsorb and detect a range of hazardous gases, with specific interaction energies suggesting strong binding capabilities, particularly with halogen-containing compounds. Overall, the study presents C₃N as a viable alternative to existing sensor materials, offering a balance of sensitivity, selectivity, and ease of fabrication.