Функционализа́ция углеро́дных нанотру́бок, процесс нанесения различных функциональных групп или молекул на поверхность углеродных нанотрубок (УНТ). Разделяют два типа функционализации – ковалентная, с образованием химической связи между нанотрубкой и функциональной группой, и невалентная, при которой не происходит химического взаимодействия между УНТ и другой молекулой. Присоединение различных функциональных групп приводит к изменению поверхностного заряда УНТ, повышает их растворимость, химическую активность и другие физико-химические свойства.

Ковалентная функционализация

Ковалентная функционализация УНТ приводит к изменению их электронных свойств, повышению гидрофильности и адгезии трубок к различным матрицам. Функционализацию УНТ карбоксильными группами (–COOH) проводят с использованием концентрированных кислот-окислителей (азотная, серная кислоты, а также их смеси). Данная обработка приводит к образованию дефектов, на которых формируются карбоксильные группы. В случае окисления нанотрубок перекисью водорода на их поверхности (помимо карбоксильных) образуются и гидроксильные группы (–OH).

Функционализация УНТ посредством взаимодействия порошка нанотрубок с газообразным окислителем, озоном, приводит к образованию карбонильных функциональных групп (–C=O). При использовании данного метода не образуется отходов кислот и продуктов их взаимодействия с УНТ. Данный метод обеспечивает более однородное нанесение функциональных групп на поверхность УНТ.

Процесс функционализации аминогруппами (–NH₂) происходит в две стадии. На первой стадии происходит окисление УНТ с помощью смеси серной и азотной кислот. Далее полученные окисленные нанотрубки диспергируют в этилендиамине, в ходе чего на поверхности УНТ формируются аминогруппы.

Невалентная функционализация

Невалентное взаимодействие УНТ и различных крупных молекул, в частности молекул полимеров, поверхностно-активных веществ (ПАВ) и биомолекул. Сохраняются физико-химические свойства УНТ, в том числе электропроводящие, поскольку не нарушается структура π-π связанной сетки углеродной нанотрубки за счёт невалентного связывания УНТ и других молекул.

В качестве полимерных молекул для невалентной модификации используются полианилин, полипиррол, политиофен. Примером является невалентная функционализация полифениленвиниленом или полистиролом, которые оборачиваются спиралью вдоль углеродной нанотрубки и удерживаются на её поверхности за счёт ван-дер-ваальсового взаимодействия и π-π-стэкинга. При диспергировании УНТ для биологических применений используется полиэтиленгликоль благодаря его нетоксичности, высокой растворимости в различных физиологических средах.

Используемые для функционализации ПАВ можно разделить на три категории: неионогенные ПАВ (Тритон X-100), анионные ПАВ (додецилсульфат натрия) и катионные ПАВ (бромид цетилтриметиламмония). В результате физической адсорбции ПАВ на поверхности углеродных нанотрубок снижается поверхностное натяжение УНТ и уменьшается ван-дер-ваальсово взаимодействие между отдельными УНТ, что предотвращает образование агломератов и способствует образованию стабильных дисперсий УНТ в воде.

Диспергирование УНТ в биополимерах (пептидах, белках и нуклеиновых кислотах) является подходящим методом интеграции УНТ с биологическими системами. Олигонуклеотиды взаимодействуют с УНТ посредством π-π стэкинга гетероциклических оснований с ароматической системой нанотрубки. УНТ с нуклеиновыми кислотами используются для детектирования молекул-мишеней при выявлении заболеваний и доставки нуклеиновых кислот, входящих в состав лекарств.

Нанотрубки вызывают значительный интерес в качестве матрицы для иммобилизации ферментов из-за их большой удельной поверхности и адсорбционной способности. Адсорбция ферментов на УНТ может происходить за счёт π-π стэкинга, ван-дер-ваальсовых, гидрофобных или электростатических взаимодействий. Ферменты имеют большое значение в пищевой, фармацевтической и химической промышленности, и их иммобилизация используется для изменения структурной конфигурации, что приводит к увеличению активности.