«Грибы» для электроавтомобилей будущего

«Сегодня в мире нет альтернативы аккумуляторам на основе токсичного лития, применяемым повсеместно — от смартфонов до электромобилей. Такие аккумуляторы в ближайшем будущем достигнут предела удельной мощности, а это около 400 Вт·ч/кг. У индустрии есть запрос на показатели порядком выше. Более того, невозможно игнорировать и размеры прибора — например, сейчас половина массы электромобиля приходится именно на аккумулятор. Мы работаем над созданием материалов, на основе которых можно получать мощные и компактные устройства. Они также могут позволить зарядить гаджет всего за минуту на месяц вперед. Физики-теоретики уже смоделировали и описали подобный материал; на исследователей-практиков возложена задача создать его», — рассказывает руководитель центра Александр Гойхман.

На наноуровне (порядка 10^-9 метра) классические законы физики действуют не всегда и большее влияние начинают оказывать квантовые эффекты. Так, частица, даже не обладающая необходимой для какого-то перехода энергией, может «проскочить» — это называется туннелированием. В наномире появляются и совершенно новые свойства материалов, например они приобретают способность отражать радиоволны и делаться невидимыми для локаторов.

Создание наноматериалов требует применения сложного вакуумного оборудования, заточенного под конкретные задачи. Некоторые элементы печатают на 3D-принтере — так технологам будет понятнее, как выточить заготовку, некоторые — заказываются. Когда все готово, инженеры собирают и отлаживают установку. От момента начала моделирования прибора до его подготовки к эксперименту — от месяца до полугода.

Одно из направлений деятельности центра — формирование наноструктурированных материалов на основе кремния и золота и изучение их свойств. Чтобы их изготовить, сотрудники используют метод импульсного лазерного осаждения. Процесс требует высокой температуры и глубокого вакуума (порядка 10^-9 мм рт. ст.). Излучение лазера переводит материал-мишень в четвертое агрегатное состояние, представленное заряженным газом — плазмой. Составляющие ее частицы оседают на закрепленную в вакуумной камере подложку, но из-за высокой температуры не сразу становятся твердыми, а проходят этот путь через жидкое состояние.

Именно поэтому формируется уникальная трехмерная структура размером всего в несколько сотен атомов. Она напоминает лес грибов с кремниевыми «ножками» и золотыми «шляпками». Можно варьировать химический состав структур, настраивая количество лазерных бомбардировок для каждого материала. Чтобы вырастить слой в один атом, нужно подать на мишень около десяти световых импульсов; на «лес» их потребуется уже десятки тысяч — это займет около получаса.

Каждый «гриб» может быть полноценным электронным компонентом, будь то управляющий электрическими сигналами транзистор или элемент памяти. Полученные наноструктуры слишком малы, чтобы увидеть их невооруженным глазом: они в тысячу раз тоньше человеческого волоса.

Для их исследования применяют сканирующую электронную микроскопию. На образец направляется пучок электронов, которые могут с ним взаимодействовать — отскакивать или выбивать электроны с поверхности самого образца. Сигнал детектируется и превращается в монохромное изображение высокого разрешения. На различных установках сотрудники центра изучают также химический и фазовый состав. Фазами называются различающиеся по своим свойствам части системы. Например, они могут по-разному проводить ток, а на границах некоторых из них возможно образование дефектов, оказывающих очень сильное влияние на свойства материала.

Наиболее точным способом анализа структуры является спектроскопия обратного ионного рассеяния, основанная на изменении энергии заряженных частиц после их рассеяния на образце. Для этого необходимо использовать огромную и дорогую установку — ускоритель. И наконец, исследователи изучают оптические и электрофизические свойства, что позволяет определить сферы возможного применения разработанной системы.

Материал подготовлен при поддержке Фонда президентских грантов

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.