Связи между слоями двумерных материалов оказались загадочно прочны

Физики экспериментально исследовали взаимодействия между слоями вещества, состоящего из плоских атомных листов. Результаты показали наличие намного более сильных связей, чем предсказывает теория. Статья с описанием опытов опубликована в журнале Nature Materials.

Открытие графена — первого известного плоского материала — с характерными для него исключительными свойствами, такими как рекордное отношение прочности на разрыв к весу, гибкость, электронная проводимость и способность образовывать непроницаемые стенки, породило взрывной интерес к подобным веществам. Многие интересные как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения качества таких систем определяются наличием дальнодействующих (по сравнению с ковалентными или ионными) связей. В физической химии такие типы взаимодействий описываются силами Ван-дер-Ваальса. Одним из их проявлений является удержание нескольких слоев подобных материалов вместе.

В новой работе сотрудники японского Цукубского университета и Орхусского университета в Дании методом рассеяния рентгеновского излучения напрямую исследовали распределение электронной плотности между слоями типичного двумерного материала — дисульфида титана TiS₂. Внутри слоев такого вещества формируются сильные связи между титаном и серой, а между слоями — слабые дальнодействующие ван-дер-ваальсовы силы между атомами серы.

«Взаимодействие между слоями в ван-дер-ваальсовых материалах, таких как TiS₂, является существенным фактором, влияющим на возможность их модификации, обработки и сборки, — поясняет соавтор работы Эйдзи Нишибори. — Моделируя экспериментальные результаты, полученные на синхротроне, и сравнивая их с вычислениями в рамках теории функционала плотности, мы получили удивительную информацию о природе электронного обмена между слоями».

В результате оказалось, что между слоями происходит существенный обмен электронами, а сами связи намного крепче, чем предсказывает теория. Авторы отмечают, что прекрасное согласие полученных результатов с данными о взаимодействиях внутри слоев лишь подтверждает справедливость обнаруженного расхождения в описании воздействия в межслоевом промежутке. Ученые выражают надежду, что их работа позволит лучше понять природу слабых связей, что может оказаться важным в таких областях, как разработка ионных аккумуляторов, сверхпроводников и создание катализаторов.