Войти в плоскость: как создать двухмерный материал

Как сделать материал толщиной в атом, благодаря чему геккон передвигается по потолку, как поверхностно-активные вещества помогают собирать наноматериалы, а также при чем тут Сатурн и Протагор, поясняет Indicator.Ru.

Двухмерные (2D) наноматериалы могут быть созданы из «слоеных» солей, растворенных в жидкости, сообщается в статье, опубликованной в Nature Chemistry.

«У 2D-наноматериалов выдающиеся физические свойства и уникальный размер, благодаря чему их можно использовать везде, от компьютерных дисплеев до батареек и «умной» ткани. Множество методов получения двухмерных наноматериалов трудно масштабируется или может повредить материал, но мы успешно справились с некоторыми из этих трудностей», — поясняет руководитель исследования Крис Ховард из Университетского колледжа Лондона.

Углерод есть мера всех веществ

Наноматериалы часто делят на группы по их размерности. Примеры наноматериалов всех типов этой классификации можно найти среди аллотропных модификаций углерода (различные «воплощения» одного и того же химического элемента в виде простых веществ). Вторя Протагору, назвавшему человека «мерой всех вещей», материаловеды могли бы окрестить так углерод, поскольку он может существовать во множестве аллотропных обличий.

Например, нульмерными называют квантовые точки — участок проводника или полупроводника, единица заряда («дырка» или электрон) которого отграничена в пространстве по трем измерением. Среди модификаций углерода это фуллерен — молекула с формулой C₆₀ или больше, похожая на футбольный мяч, состоящий из пятиугольников и шестиугольников. В случае с трубками, прутами и тонкими волокнами наноразмеров (квантовыми нитями) мы имеем дело с одномерными объектами. В ряду углеродных обличий к подобным относятся углеродные нанотрубки. К двухмерным наноматериалам можно отнести графен — единый плоский слой графита, из которого состоит грифель карандаша. Только в графите эти слои из шестиугольников — «пчелиных сот» — располагаются друг над другом, и более слабые по сравнению с внутренними Ван-дер-ваальсовы связи между слоями позволяют им скользить и смещаться — именно так карандаш оставляет свой след на бумаге. В графене же такой слой всего один, поэтому он образует плоскость и считается двухмерным наноматериалом или квантовой плоскостью.

Сатурн, гекконы и пленка моющего средства

Физические свойства этих двухмерных материалов исключительны и могли бы совершить настоящую революцию в нанотехнологиях, но для их получения необходимо разорвать Ван-дер-ваальсовы связи между слоями. Учитывая, что именно эти взаимодействия позволяют гекконам подниматься по вертикальной стеклянной поверхности, а маленьким, но быстро вращающимся астероидам в кольцах Сатурна — сохранять свою целостность там, где это не позволяет гравитация, неудивительно, что получать двухмерные наноматериалы из слоистых кристаллов дорого и тяжело. Существует несколько естественных вариантов 2D-нанолистов (к ним относится и графен), но их число ограничено.

Только недавно в области синтеза двухмерных наноструктур наметились сдвиги. Так, в январе этого года в журнале Nature Communications была опубликована статья ученых из Висконсинского университета в Мэдисоне, которые предложили растворять соли цинка в жидкости, а сверху наливать тонкий слой поверхностно-активного вещества (ПАВ; самое известное такое вещество — это моющее средство). Сульфат-ионы ПАВ притягивали ионы цинка, и вскоре у поверхности формировался двухмерный нанолист цинка толщиной всего в 1-2 атома.

В майской статье канадских и британских ученых (на этот раз уже в Science) рассказывается о получении прямоугольных наноструктур с контролируемым размером из фрагментов одномерных наноматериалов.

Не можешь разлучить — добавь позитива

Все эти методы основаны на сборке нанолистов из частиц. Новое исследование, опубликованное в Nature Chemistry, представляет диаметрально противоположный подход: разъединение кристаллов на отдельные слои. Новый подход помог им преодолеть проблему взаимодействия полученных слоев с растворителем (например, водой).

В качестве солей были использованы дисульфиды титана (TiS₂) и молибдена (MoS₂) и теллурид висмута (Bi₂Te₃). Чтобы «разлучить» не желающие расставаться слои, разорвав Ван-дер-ваальсовы связи, ученые добавили в раствор ионы щелочных металлов — лития и калия. Положительно заряженные ионы, попавшие между слоями кристаллической решетки солей, разделили их, словно начинка между коржами, и сообщили им отрицательный заряд. В такой «слоистой» или «слоеной» соли нанолисты стали отталкиваться друг от друга. Благодаря отрицательному заряду ими легко управлять, и даже большая площадь поверхности листов не становится причиной их повреждения и разрыва. Электронная микроскопия показала, что полученные двухмерные наноматериалы чистые, гладкие и не имеют никаких повреждений. Их поверхность была почти идеальна.

«Мы показали, что ими также можно рисовать на поверхностях, и они, оставленные высыхать, могут организовываться в структуры, похожие на черепицу — такого никогда не видели раньше. Они также могут быть нанесены на поверхности гальваническим способом, как позолота. Мы уже предвкушаем создание различных двухмерных наноматериалов с помощью открытого нами процесса и поиск способов их применения. Возможности почти безграничны», — оптимистично заключает ведущий автор исследования, Патрик Куллен из Университетского колледжа Лондона.