Самые маленькие в мире алмазы пригодились для создания проводов шириной в три атома

Алмазоиды

V8rik/Wikimedia Commons

Ученые поместили алмазоиды — наиболее маленькие частицы алмаза — в условия, при которых они собираются в крошечные провода. Новая технология потенциально позволяет создавать с использованием различных дополнительных атомов миниатюрные провода для различного применения, включая токопроизводящие ткани, оптоэлектронные приборы и сверхпроводники. Работа опубликована в журнале Nature Materials.

«Мы показали, что можно заставить крохотные провода наименьшего размера собираться самостоятельно, — говорит Хао Янь, постдок Стэнфордского университета и ведущий автор исследования. — Процесс является однореакторным синтезом. Достаточно добавить все необходимые ингредиенты, и результат получится через полчаса. Как будто алмазоиды знают, куда им нужно двигаться».

Несмотря на то, что существуют другие методы самосборки, в данной работе впервые получены нанопровода с твердой кристаллической основой, обладающие хорошими электрическими свойствами. Основным элементом провода является полупроводниковое ядро из комбинации меди и серы, известной как халькогенид. Вокруг него располагаются присоединенные алмазоиды, образующие изолирующую оболочку. Малый размер этих проводов важен, так как низкоразмерные вещества, такие как провода и пленки атомарного масштаба, могут обладать необычными свойствами, нехарактерными для тех же веществ в случае объемных материалов. Новый метод позволяет создавать такие объекты с атомарной точностью.

Алмазоиды представляют собой замкнутые клетки из атомов углерода, к которым снаружи прикреплены атомы водорода. Их выделяют из нефтепродуктов и сортируют по размеру и форме. За последние годы было найдено несколько способов их потенциального применения: например, для улучшения качества оптических микроскопов и создания крошечных электронных приборов. В рамках данного исследования ученые воспользовались свойством алмазоидов притягиваться друг к другу благодаря силам Ван-дер-Ваальса. Синтез начинался с наименьшего возможного алмазоида, состоящего из десяти атомов углерода, к которому присоединяли атом серы. Плавая в растворе, каждый атом серы соединялся с одним атомом меди — так получался базовый строительный блок. Затем такие блоки перемещались друг к другу под действием сил Ван-дер-Ваальса и присоединялись к растущему концу нанопровода.

«Сродни кубикам LEGO, блоки в нашем эксперименте сочетались друг с другом определенным образом, в зависимости от размера и формы, — говорит Фэй Хуа Ли, аспирант из Стэнфорда. — Медь и сера оказывались внутри структуры, формируя проводящее ядро, а более крупные алмазоиды образовывали изолирующую оболочку». Команда уже успешно синтезировала одномерные провода на основе кадмия, цинка, железа и серебра, а также в различных растворителях и с разными типами жестких молекул с похожими на клетки структурами, такими как карбораны. Среди полученных образцов были настолько большие, что их можно было видеть невооруженным глазом. Провода на основе кадмия оказались похожи на применяемые в оптоэлектронике материалы, такие как светодиоды, а полученные с использованием цинка — на материалы, применяемые в солнечных батареях и пьезоэлектрических устройствах и преобразующие движение в электричество.