В 2004 году в журнале Science вышла статья, поразившая мировых исследователей. В ней говорилось о новом материале с необычными свойствами: сильная гибкость, сверхпрочность и крайне высокая электропроводность. Сам объект — всего лишь двумерный слой углерода, который авторам удалось получить при помощи обычного скотча. Склеивая и разлепляя ленту с хлопьями графита несколько раз, физики получили слои толщиной в один атом и площадью в один квадратный миллиметр.
Спустя шесть лет за исследования этого материала — графена — ученые Константин Новоселов и Андрей Гейм были удостоены Нобелевской премии по физике. После этого он стал привлекать огромное внимание специалистов по всему миру. Как изучают такие двумерные структуры и в чем их особенности, разбираемся вместе с ведущим научным сотрудником Института биохимической физики Российской академии наук (ИБХФ РАН), доктором физико-математических наук Дмитрием Квашниным.
Путь к неизвестному
Сегодня благодаря современным технологиям можно синтезировать огромное количество двумерных материалов из других химических элементов, отмечает эксперт.
Почему же они вызывают такой большой интерес? Дело в том, что у этих структур есть особые физические и химические свойства, которых нет у объемных материалов. На атомарном уровне у них преобладают сильные квантовые эффекты. Еще такие материалы могут быть довольно чувствительными к малой концентрации газов. По сути, это такие сверхчувствительные сенсоры и элементы для сверхбыстрой передачи информации. Все эти особенности делают двумерные материалы перспективными для современной электроники и газовой сенсорики.
Чтобы их изучить, ученый Дмитрий Квашнин в своей лаборатории использует методы вычислительной квантовой химии и молекулярного моделирования, или иначе — компьютерный эксперимент. С помощью специальных программ можно исследовать атомную структуру, свойства, спектр светового поглощения и другие характеристики.
С помощью такой вычислительной химии можно предсказывать разные химические реакции и создавать инструкции для полученния новых двумерных материалов. В будущем эти данные пригодятся ученым-экспериментаторам: им не придется тратить огромное количество реактивов, времени и сил на синтез, который может не удаться.
Самый тонкий алмаз
Такие предсказания иногда приводили к весьма необычным результатам. Например, еще будучи студентом, Дмитрий Квашнин совместно со своими коллегами опубликовал исследование, в котором предсказывалось существование самого тонкого алмаза — диамана. Это сверхтонкая алмазная пленка толщиной порядка семь ангстрем (0,7 нанометра). Материал интересен тем, что он сверхтвердый и, в отличие от своего родителя — алмаза, является полупроводником.
Однако с годами интерес к сверхтонкому алмазу рос, появлялось все больше теоретических работ. Специалисты по всему миру пытались получить сверхтонкую алмазную пленку. В одном из последних экспериментов зарубежным ученым все же удалось показать с помощью электронного микроскопа, как эта структура выглядит. Сейчас диаманы все еще активно изучают и предлагают применять, в том числе в оптике в качестве резонаторов.
«Нас интересовало то, что и сейчас на самом деле многих ученых интересует — получить материал с управляемыми электронными свойствами. Например, захотим изменить состав и при этом уже знаем, какие у него получатся свойства», — объясняет Дмитрий Квашнин.
Изначально для этого планировали соединить графен, который хорошо проводит электрический ток, с диэлектриком — гексагональным нитридом бора. Последний выступает аналогом графена (его еще называют «белым графеном»). Только вместо атомов углерода в нем чередуются атомы бора и азота. Однако проблема в том, что углерод и нитрид бора плохо смешиваются. Тогда исследователи решили вместо углерода использовать кислород. Первые расчеты показали, что такой материал будет лучше проводить ток.
«Японские коллеги поддержали идею и с нуля синтезировали новый двумерный материал, которого раньше не существовало — оксинитрид бора. Мы тщательно его изучили: оптический спектр, магнитные, механические свойства и многое другое. Это оказалось довольно интересным и, безусловно, эффективным сотрудничеством между теоретиками и экспериментаторами», — делится спикер.
И хотя новый материал планировали внедрять в электронику, он пригодился в другой сфере. Дело в том, что оксинитрид бора хорошо поглощает свет в ультрафиолетовом диапазоне. Зарубежные специалисты поняли, что такие частицы хорошо подойдут для адресной доставки лекарств.
Кроме того, выяснилось, что под действием ультрафиолета из частиц образуются активные формы кислорода, что замедляет рост раковых опухолей. Разработка оказалась перспективной, сегодня ее продолжают развивать. Исследованием подобных структур также занимаются в Университете МИСИС.
Заманчивые перспективы
«Цель проекта, который я веду в настоящее время — модифицировать оксид графена. То есть, соединить его с другими органическими молекулами. Таким образом мы сделаем упорядоченную структуру, в которой эти молекулы будут играть роль сенсоров, изменять и стабилизировать свойства материала. В будущем такие устройства можно применять для гибкой электроники и гибкой сенсорики», — говорит специалист.
В целом, в стране это направление только начинает развиваться, создаются необходимые технологические установки. Важную роль будет играть сотрудничество с экспериментаторами, которые смогут проверять теории на практике.
Единственная проблема в будущем может возникнуть на этапе внедрения. Если окажется, что текущие технологии устарели для новых компонентов, возможно, придется обновлять если не всю материально-техническую базу, то многие ее элементы. А это огромная технологическая задача, резюмирует эксперт.
Анна Шиховец
