«Лего» в атомном маштабе

legoПлотно прижатые друг к другу слои вещества толщиной всего в один атом образуют материалы с уникальными свойствами, открывающими удивительные возможности.
Не одно поколение людей по всему земному шару увлекалось конструктором «Лего». Из его деталей — сцепляющихся между собой пластиковых кубиков, трубок, колес и множества других модулей — можно собирать фантастические автомобили, строить причудливые замки и многие другие конструкции, которые представляют собой нечто большее, чем набор простых элементов. Сегодня новое поколение молодых ученых-материаловедов одержимо идеей создания нового типа «Лего», строительные блоки которого сравнимы по размерам с атомами.
Новые конструкционные элементы представляют собой слои вещества толщиной всего в один атом, которые можно укладывать в стопку в заданной последовательности. Ювелирная точность наслаивания позволяет получать материалы с уникальными электрическими и оптическими свойствами. Из них можно создавать компоненты устройств, обладающие очень низким электрическим сопротивлением, более быстрые и мощные компьютеры, гибкие, необыкновенно легкие гаджеты, которые можно носить в кармане, не опасаясь, что они сломаются.
Этот научно-технический прорыв стал возможен с появлением на свет графена — двумерной пленки из атомов углерода, похожей на микроскопическую проволочную сетку. В 2004 г. нам с коллегами из Манчестерского университета в Англии удалось получить такую пленку, «отшелушивая» слои толщиной в один атом от цельного бруска высокоориентированного пиролитического графита с помощью клейкой ленты. За последующее десятилетие было обнаружено несколько десятков других видов объемных кристаллов с подобными свойствами, и их число быстро растет: это, например, слюда, а также материалы с менее привычными названиями, например нитрид бора гексагональный (он же белый графит) и дисульфид молибдена. Эти кристаллические слои называют двумерными, поскольку атом, мельчайшая частица вещества, имеет ненулевой размер и представляет собой минимальную толщину любого материала. Интересны и слои потолще, из трех или около того атомов. Их ширина и длина могут быть намного больше — это зависит от желания исследователя. Благодаря своим уникальным свойствам за последние несколько лет двумерные кристаллы стали объектом пристального внимания материаловедов и специалистов в области физики твердого тела.
Слои можно укладывать так, что образуемые ими структуры будут крайне стабильными, несмотря на отсутствие в них ковалентных связей. Слои удерживаются вместе с помощью других сил — ван-дерваальсовых. Они относятся к категории слабых. Как правило, их недостаточно для удерживания вместе атомов и молекул, но поскольку в нашем случае двумерные
слои состоят из плотно расположенных атомов и тесно прилегают друг к другу, кумулятивная сила притяжения достигает значительной величины.
Чтобы по достоинству оценить потенциальные возможности новых материалов, вспомним о давней мечте физиков — сверхпроводимости при комнатной температуре. Создание материалов с такими свойствами имело бы далеко идущие последствия для нашей цивилизации. Считается, что эта цель в принципе достижима, но как именно — не знает никто. Самая высокая температура, при которой сегодня вещества проявляют свойства сверхпроводимости, не превышает -100° С. За последние два десятилетия эту планку удалось лишь немного приподнять. Недавно стало известно, что некоторые сверхпроводники, состоящие из оксидов — соединений, содержащих по меньшей мере один атом кислорода, — можно расслоить описанным выше способом. Что если попробовать снова соединить их, но в другой последовательности, и встроить между ними дополнительные кристаллические слои? Мы знаем, что сверхпроводимость оксидов зависит от расстояния между слоями и что в результате дополнительного прослаивания плохо проводящие материалы и даже изоляторы могут превратиться в сверхпроводники.
Эта идея не была до конца проверена в основном потому, что технология изготовления материалов по типу конструктора «Лего» атомного масштаба находится на стадии становления. Сформировать сложные многослойные структуры очень трудно, и сегодня они редко состоят более чем из пяти разных слоев. В них используются в основном лишь два или три вида «Лего»-деталей — чаще всего это графен в сочетании с двумерными кристаллами диэлектрика нитрида бора и таких полупроводников, как дисульфид молибдена идиселенид вольфрама. Подобные конструкции часто называют гетероструктурами, поскольку они состоят из разных материалов. Пока они очень малы, обычно всего примерно 10 мкм в ширину и длину (меньше толщины человеческого волоса). Но уже сегодня с помощью этих блоков можно проводить эксперименты по созданию материалов с новыми электрическими или оптическими свойствами и поиску сфер их применения. Еще один интересный аспект: поскольку слои исключительно тонки, они также очень гибки и почти прозрачны. Это позволяет создавать на их основе светотехнические устройства с изменяемой формой, например сворачивающийся в рулон экран монитора, размер которого пользователь может уменьшать или увеличивать по своему усмотрению. С их помощью можно изготавливать также гораздо более экономичные компьютерные чипы.
Мы надеемся, что в ходе этих исследований обнаружатся принципиально новые вещи, позволяющие вывести технологию на уровень, когда ее можно будет использовать в промышленности. Это уже произошло с графеном и некоторыми другими двумерными кристаллами: изначально они представляли собой крошечные кристаллиты размером в несколько микрометров в сечении, а теперь это слои площадью в сотни квадратных метров, находящие разнообразное применение.
Ни о каком прикладном прорыве в обсуждаемой нами сфере пока речи не идет. Но уже сейчас самые разные идеи будоражат научное сообщество. Прогресс человечества всегда сопровождался изобретением новых материалов. Они лежали в основе перехода от каменного века к бронзовому, затем к железному, а позднее — кремниевому. «Лего» в атомном масштабе — это нечто, не существовавшее ранее, и теперь наши возможности расширятся.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *