Связи между слоями двумерных материалов оказались загадочно прочны
Схематичное представление электронной плотности в межслоевом промежутке между двумя атомами серы
© University of Tsukuba
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.