Наука

  ▪   Олег Фея

Коли 2D краще за 3D

Як двовимірні кристали сколихнули сучасну науку
Матеріал друкованого видання
№ 7 (639)
від 13 лютого

Фізики створили найміцніший матеріал. Фізики створили найменший транзистор. Фізики створили матеріал, що революціонізує сонячну енергетику. Фізики створили «розумну» тканину. Найімовірніше, під такими гучними заголовками ЗМІ ви знайдете дописи про двовимірний кристал.


Двовимірні кристали — справжній скарб для фізиків, експериментаторів і теоретиків. За 16 років від моменту відкриття графену стало відомо про сотні різноманітних кристалів із чудернацькими властивостями. Як випливає з назви, двовимірні кристали — це дуже тонкі матеріали з упорядкованих атомів (завтовшки один чи кілька атомних шарів). Межа, за якою матеріал перестає бути двовимірним, чітко не окреслена.


Графен відкрили 2004 року британські фізики російського походження Андре Ґейм і Константін Новосьолов. У лабораторії вони проводили традиційні експериментальні п’ятничні вечори, тестуючи різні наукові ідеї. Одна з таких ідей була напрочуд проста: до яких розмірів можна розламати шматочок графіту звичайним скотчем? Погравшись із клейкою стрічкою, вони подивилися під мікроскопом на свої здобутки. Виявилося, що на скотчі залишався лише один шар графіту, який і назвали графеном. За це відкриття через шість років обоє отримали Нобелівську премію з фізики.

 

Читайте також: Труднощі телепортації


Ідея розщепити графіт до двовимірного кристалу не нова. Ще 1946 року канадський фізик Філіп Рассел Воллес розрахував властивості моношару графіту. Річ у тім, що графіт складається з паралельних шарів атомів вуглецю, об’єднаних у структуру, яка нагадує бджолині стільники. Зв’язки між шарами відносно слабкі. Через це він дуже ламкий: пишучи олівцем на папері, ми розламуємо графіт. В алмазі, найтвердішому з відомих матеріалів, кожен атом вуглецю поєднаний із чотирма атомами довкола себе сильними ковалентними зв’язками. Він ніби віддає свої чотири валентні електрони в «спільне користування» із сусідами. У графіті ковалентні зв’язки утворюються лише між атомами одного шару: у кожного з них по три сусіди, а самі шари поєднані слабкішими електростатичними силами. Графен на той час виявився найміцнішим на розрив матеріалом. Він може розтягуватися на 20%, не руйнуючись. Проте його механічні властивості пасують перед електронними. Кожен атом графену має один електрон, не залучений до ковалентних зв’язків. Незаповненими лишаються й атомні орбіталі, які поєднують стільникові шари в графіті. Через це електрони в кристалі поводяться так, наче в них відсутня маса: вони в мільйон разів рухливіші за електрони в міді, що є типовим провідником.

 

Бджолині стільники. Зображення нітриду бору, отримане сканувальним тунельним мікроскопом добре показує структуру матеріалу


Графен знайшов себе в таких галузях, як створення міцних та легких композитних матеріалів, сонячна енергетика, енергозбереження, медицина. На його основі створюють біосенсори (наприклад, для діагностики інфікування людини на вірус Зіка); термічні плівки та літій-іонні батареї з графеновими анодами тестують виробники смартфонів Huawei і Samsung, а IBM працює на над графеновим комп’ютерним процесором.


Популярність графену серед учених така велика, що цього року в престижному журналі ACS Nano навіть вийшла стаття, мета якої — дещо зменшити потік нових неякісних досліджень за допомогою наукового тролінгу. Автори звернули увагу на потік однакових за змістом статей: фізики додають якийсь хімічний елемент до графену, тобто допують його, і повідомляють про збільшення електропровідності, а потім радісно рапортують про технологічні перспективи, які з цього випливають. Автори зазначають, що є 84 хімічних елементи, якими має сенс допувати графен, тобто якщо всі перебрати, це готові 84 статті. Якщо допувати матеріал одразу двома типами атомів, це вже майже 3,5 тис. статей. Для чотирьох атомів кількість комбінацій зросте до 2 млн. У цьому «науковому спамі» легко загубити справді важливі відкриття. Тому в своїй статті дослідники вирішили «допувати графен матеріалом, який складається з великої кількості хімічних елементів і водночас є дешевим», — пташиним послідом. І цей перспективний матеріал виявився не таким вже й поганим — електропровідність графену в їхньому досліді зросла «неймовірно».


Після відкриття графену у фізиці почався бум двовимірних кристалів. Нові кристали отримували з шаруватих матеріалів або ж синтезували з нуля. Вони поділяються на п’ять груп. Це кристали, основані на органічних молекулах, максени, кристали з одного типу атомів, двовимірні дихалькогеніди перехідних металів та нітриди.

 

Читайте також: Електрика з тепла


Хімічні елементи, що в періодичній таблиці містяться поруч із вуглецем, мають свої двовимірні форми. Хронологічно другим елементарним кристалом на кшталт графену став силіцен, що складається з атомів кремнію, об’єднаних у гексогональну структуру на кшталт бджолиних стільників. Електронна будова силіцену цікава тим, що дає змогу «відкривати» заборонену зону і з провідника переводити його в напівпровідник. Величина забороненої зони, тобто енергій, які не можуть мати електрони в кристалі, вказує на те, з чим ми маємо справу: провідником, напівпровідником або ж ізолятором. 2015 року наукова група з Аргонської національної лабораторії синтезувала моношар бору, борофен, який відібрав у графену звання найміцнішого на розрив матеріалу. Це дослідження показує перспективність поєднання комп’ютерних розрахунків з експериментом для створення нових матеріалів. Спочатку варіанти двовимірного бору було отримано в комп’ютерних моделях, потім найперспективніший із них синтезували. Цікавим також є фосфорен — двовимірний фосфор, синтезований 2014 року в Японії. Він є напівпровідником, що перспективно для мікроелектроніки, проте через високу реактивність його використання на повітрі наразі проблематичне.


Складнішими за будовою є дихалькогеніди, матеріали із загальною формулою MX2, де M — перехідний метал (титан, молібден, ванадій), а X — халькоген (сірка, телур або селен). За структурою вони схожі на графіт — шари з металів і халькогенів поєднані між собою слабкими міжатомними взаємодіями. Власне, тому науковці й звернули на них увагу як на потенційне джерело нових двовимірних кристалів. Двовимірні дихалькогеніди цікаві тим, що їхні електронні властивості досить легко змінювати, просто додаючи нові шари або допуючи їх іншими хімічними елементами. Так можна регулювати заборонену зону в електронній структурі матеріалу. На сьогодні двовимірні дихалькогеніди, як-от MoTe2, завдяки їхнім напівпровідниковим властивостям є чи не найкращими претендентами на створення надмалого польового транзистора, Інша велика група 2D-кристалів — максени з формулою MX (завдяки цій формулі вони й дістали назву). У ній M — це теж перехідні метали, а X — вуглець або азот. Максени відкрив 2011 року американський фізик українського походження Юрій Гогоці, засновник і директор Інституту наноматеріалів Університету Дрекселя у Філадельфії. Разом із колегою Мішелем Барзумом він досліджував можливість покращення літій-іонних батарей за допомогою MAX-фаз, кераміки, яка має слоїсту структуру. Шари з пов’язаних ковалентними зв’язками атомів перехідних металів та вуглецю або азоту перемежовувалися площинами з алюмінію або германію. Гогоці й Барзум здогадалися, як витягнути ці площини з кераміки, і вона розпалася на двовимірні максени.

 

Максени. Такий вигляд мають надруковані на 3D-принтері фігури з 2D-кристалів 


Ці матеріали мають величезну електричну ємність (до 500–900 Фарад на квадратний сантиметр, у мільярди разів більше за ємність звичайних конденсаторів, використовуваних в електротехніці) й стали елементом псевдоконденсаторів — пристроїв для зберігання енергії великої ємності, що наближається до показників літій-іонних батарей. Водночас псевдоконденсатори швидше заряджаються й мають мільйони циклів зарядки-перезарядки. Також наукова група Гогоці придумала технологію «розумної» тканини. Вона складається з волокон, у які вплетені максени, і здатна накопичувати електричну енергію. Одяг із такої тканини може стати корисним у спорті для живлення сенсорів фізичної активності або як зовнішнє джерело енергії для бездротового заряджання мобільних пристроїв. Торік науковці з Манчестера розробили технологію максенових чорнил і навчилися створювати з них об’єкти за допомогою 3D-принтерів. Передбачається, що цей винахід стане в пригоді для електромобілів, а також мікроелектроніки.

 

Читайте також: Що можуть квантові комп’ютери


За таку саму стільникову структуру та високу міцність двовимірний нітрид бору називають білим графеном. Він майже прозорий, добре проводить тепло, не окислюється до температури 800 ºС і, на відміну від графену, є ізолятором. Це хороший матеріал для антикорозійних покриттів, газових сенсорів: молекули газу, проходячи крізь плівку з нітриду бору, змінюють її електричний опір, що легко виміряти.


Очікується, що 2020-го ринок графену сягне $280 млн — цей матеріал дедалі більше використовують для лабораторних дослідів та створення нових приладів. Грам графену виробники продають за $100–200, а найкращим інструментом для його отримання все ще лишається звичайний канцелярський скотч. Від 2004 року методи промислового виробництва графену розвинулися, однак такі кристали гірші за своїми властивостями. Історія стрімкого злету двовимірних кристалів показує, що у великій науці все ще є трохи місця для романтики — несподіваних відкриттів підручними засобами п’ятничними вечорами за пивом. Відкриттів, за якими йдуть Нобелівські премії та велетенська індустрія. 

Якщо ви помітили помилку, виділіть необхідний текст і натисніть Ctrl + Enter, щоб повідомити про це редакцію.