Наука и технологии России

Вход Регистрация

«По всей видимости, мы нашли лидера по прочности среди двумерных материалов»

Учёные из США, Китая и России впервые синтезировали двумерный кристалл бора – лист толщиной в один атом, подобный графену по структуре, сообщается в пресс-релизе, поступившем в редакцию. Двумерный бор, названный борофеном, обладает высокой прочностью, проводимостью и другими уникальными свойствами, которые могут пригодиться при создании наноэлектронных устройств и фотоэлементов. Результаты исследования опубликованы в журнале Science, в статье «Synthesis of borophenes: Anisotropic, two-dimensional boron polymorphs».

Борофен Структура борофена: атомы бора расположены в виде гофированной структуры, обеспечивающей необычные свойства материала. Фото: пресс-служба МФТИ

«Ни одна из объёмных форм бора не обладает подобными металлическими свойствами, – отмечает ведущий автор статьи Натан Гайзингер (Nathan Guisinger) из Аргоннской национальной лаборатории (США). – По всей видимости, мы нашли лидера по прочности на растяжение среди двумерных материалов».

Двумерными материалами называют «плоские кристаллы» толщиной в один или несколько атомов. Хотя они состоят из тех же атомов, что и обычные трёхмерные кристаллы, их физические и химические свойства могут кардинально отличаться. Самый знаменитый двумерный материал – графен, состоящий из атомов углерода. За его создание выпускники МФТИ Андрей Гейм и Константин Новосёлов в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике. В отличие от других углеродных материалов, двумерный графен хорошо проводит электричество, причём электроны в нём должны двигаться со скоростями, близкими к скорости света.

Химические свойства бора и углерода, занимающих в таблице Менделеева соседние места, сходны, но метод получения графена, придуманный Геймом и Новоселовым – «отщепление» углеродных листков от поверхности графита – не работает для бора, поскольку структура ни одной из известных аллотропных модификаций бора не содержит явно выраженных слоев.

Интерес к созданию двумерного бора – борофена – подстегнули около года назад работы двух независимых друг от друга научных групп. В первой работе учёные из университета Брауна (США) и Университета Цинхуа (Китай) синтезировали молекулу, напоминающую фрагмент такого вещества. Однако группа под руководством кристаллографа Артёма Оганова (профессора Сколковского института науки и технологий и Университета штата Нью-Йорк, а также заведующего лабораторией Московского физико-технического института) с помощью методов компьютерного моделирования продемонстрировала, что подобная структура не может быть плоской и стабильной, предложив альтернативное строение листа борофена.

Результаты расчётов, по словам Оганова, заставили усомниться в том, что синтез этого материала вообще возможен, поскольку атомы бора «предпочитали» собираться в наночастицы, «разгладить» которые было бы непросто. Кроме того, бор образует стабильные соединения почти со всеми известными элементами.

Правда, учёным из Аргоннской национальной лаборатории и Северо-Западного университета (США) удалось найти элегантное решение – борофен выращивали на подложке из серебра. Эти элементы слабо взаимодействуют друг с другом, благодаря чему и получилось синтезировать новый материал.

Атомы бора напылялись с помощью техники электронно-лучевого испарения, что позволило избежать использования высокотоксичных газов. Получившийся материал исследовался с помощью методов электронной и сканирующей туннельной микроскопии.

Сравнение экспериментальных результатов с теоретическим предсказанием структуры борофена, проведённым сотрудником Оганова, профессором Сянфеном Чжоу (Xiang-Feng Zhou), подтвердило, что был получен именно этот материал.

«Иногда экспериментаторы синтезируют материал и просят нас определить его структуру. Порой получается наоборот: мы делаем предсказания первыми и эксперимент подтверждает наши открытия. Теория и эксперимент движутся рука об руку, и от этого сотрудничества выигрывает любое исследование», – комментирует работу Артём Оганов.

Борофен получился не плоским, а гофрированным, как и предсказывали Чжоу и Оганов. Если другие двумерные материалы выглядят как плоскости, борофен напоминает лист гофрированного картона, изгибающийся вверх и вниз в зависимости от связей между атомами бора. Такая структура делает борофен анизотропным, то есть механические и электронные свойства этого материала зависят от выбранного направления.

Борофен, как и графен, проводит электрический ток, поэтому это первый известный учёным двумерный анизотропный металл.

Согласно теоретическим предсказаниям, борофен также обладает наибольшей прочностью на разрыв по сравнению с любым другим известным материалом. «По всей видимости, мы нашли лидера по прочности среди двумерных материалов», – заявил Гайзингер.

Авторы исследования, которые продолжат изучение свойств борофена, уверены в том, что новый материал обладает большим потенциалом для применения в наноэлектронике.

РЕЙТИНГ

5.00
голосов: 6

Обсуждение