Russiske forskere er kommet med en ny klasse af todimensionale materialer

Russiske forskere er kommet med en ny klasse af todimensionale materialer

"Kommersant Science", nr. 5, juli 2017

Dmitry Kvashnin (til venstre) og Pavel Sorokin

For første gang i verden blev en repræsentant for en ny familie af enkeltlagsstoffer, et todimensionelt kobberoxid, opnået i arbejdet hos et team af russiske og japanske forskere. Indtil for nylig blev eksistensen af ​​sådanne strukturer i princippet betragtet som umuligt. Hvordan lykkedes det at tænke på det umulige, siger lederen af ​​den teoretiske del af arbejdet, lederen af ​​infrastrukturprojektet "Teoretisk Materialevidenskab af Nanostrukturer", den førende forsker i laboratoriet "Uorganiske Nanomaterialer" NITU MISA Pavel Sorokin og forsker, NUST MISiS, kandidat for fysiske og matematiske videnskaber Dmitry Kvashnin.

Oprettelsen af ​​nye todimensionale materialer – der består af et lag et atom tykt – er et af de mest lovende områder inden for moderne materialevidenskab. Siden kvitteringen af ​​grafen i 2004 har det første todimensionale materiale forskere rundt omkring i verden udforsket sine egenskaber.

Graphene og andre todimensionale

"Interessen for grafen vokser kun," siger Pavel Sorokin. "Nu er det faktisk nå niveauet for industriproduktionen.I det mindste illustreres dette af den enorme mængde penge, som den europæiske, amerikanske og kinesiske industri investerer i denne branche. Grundlæggende forskning på grafen er næsten afsluttet, dens egenskaber er allerede blevet undersøgt godt. Ikke desto mindre er der skabt store institutter i alle disse regioner, dedikeret til todimensionale materialer og rettet netop til deres brug, fordi branchen forstået, hvad der er skjult i brugen af ​​todimensionale materialer takket være kendskabet til grafens egenskaber.

Efter opdagelsen af ​​grafen realiserede industrien, hvordan lovende brugen af ​​todimensionale materialer

"Faktisk er grafen den første svulme af en stor flok todimensionale materialer. Fordi det hurtigt blev klart, at todimensionale materialer kan have meget forskellige sammensætninger. Det samme boritrid eller for eksempel overgangsmetalchalcogenider … Forskningsområdet er så stort, at der simpelthen ikke er nok strøm til alt, men et af de mest interessante og lovende områder er todimensionale (monolag) materialer med magnetiske egenskaber.Jeg understreger ordet "monolayer", fordi de fleste af de kendte quasi-nesting materialer stadig er forbindelser af flere lag, hvilket efterlader et aftryk på deres egenskaber. For eksempel er det samme chalcogenid et lag af svovl, et lag af metal, et andet svovllag. Lidt er kendt om rene monolag. Men det er for det første den tyndeste faste krop, der kun kan forestilles, og for det andet er det et makromateriale, hvor alle atomer er overflade. Hvis vi går ind i regionen af ​​flere lag, så går vi ufrivilligt af for materialets massegenskaber, og dette er et andet sæt egenskaber. "

Todimensionelt materiale uden tredimensionale analoger

NIMS (National Institute for Materials Science)

Det Nationale Institut for Materialevidenskab er det største japanske center for grundforskning og anvendt materialeforskning. Grundlagt i 2001 som følge af fusionen mellem National Institute of Metals og National Institute of Inorganic Materials. Det har fire afdelinger, hvoraf tre er placeret i den "videnskabelige by" i Japan – Tsukuba, den fjerde – i Nishiharim. Ca. 1.500 ansatte.

Forskerne fra NITU MISiS, FSBI TISNUM, IBCF RAS og deres udenlandske kolleger fra det japanske institut NIMS var dedikeret til søgen efter nye todimensionale monolag.Gruppen fokuserede på muligheden for at opnå todimensionale materialer baseret på metalforbindelser. "Tidligere blev det antaget, at disse forbindelser i princippet er ustabile i en todimensionel tilstand og kun kan eksistere som tykke film med en struktur som en bulkkrystal." Pavel Sorokin fortsætter historien. "Vi viste, at det er muligt at stabilisere en todimensionel struktur uden at pålægge yderligere lag inden for et todimensionelt rum. "

"Vanskeligheden ved at finde en sådan struktur er, at den sekventielle tilgang ikke virker her – man kan ikke lære om egenskaberne af et todimensionelt materiale, idet man studerer et flerlagsmateriale, der konsekvent reducerer tykkelsen. grafen lag forbundet med hinanden. Vores materiale har ingen analoger i den tredimensionale verden. Kobberoxid kan ikke eksistere som et bundt af todimensionelle ark, de danner en tredimensionel struktur med forskellige egenskaber. vi får to lag; de udgør allerede et kubisk krystalgitter med egenskaberne af atomer fra en makrokrystal.Allerede tre-lags kobberoxid vil have et sædvanligt kubisk gitter med overflade og indre atomer. En ren monolagstruktur af kobberoxid kan kun eksistere for et ark. Derfor er det umuligt at beregne det, går fra større til mindre. "

Det første tegn var det arbejde, der blev offentliggjort i tidsskriftet Videnskab videnskabsfolk fra Kina, som viste at porerne i grafen kan fyldes med todimensionale metaller (de brugte jern). "De forstod dog ikke hvad de gjorde", siger Sorokin. "Men det var deres arbejde, der fik mig til at tro, at sådanne strukturer har ret til at eksistere. Og vi lavede det første af sådanne stoffer, der fuldt ud retfærdiggør sin struktur og viser sig i praksis rigtigheden af ​​vores teori. "

Strukturen af ​​et todimensionelt kobberoxid. op skematisk viser gitterets struktur. rød – kobberatomer blå ilt. grå Grafensubstratet er vist. Ned nedenfor – billede af et todimensionalt kobberoxidgitter: til venstre – et eksperimentelt billede på et elektronmikroskop til højre – Resultatet af teoretisk beregning

"Det er muligt, at vi fandt et sådant usædvanligt stof, der er et vist chancen for chance. På den anden side var vores gæt teoretisk understøttet og bekræftet eksperimentelt.Dette er kun det første arbejde for dem, der vil blive afsat til opdagelsen af ​​todimensionelle strukturer, fordi disse strukturer kan have meget forskellige kompositioner og fantastiske egenskaber, der blot er ukendte endnu. Men så bliver det lettere, fordi vi allerede har vist, at en sådan struktur kan være og hvilke egenskaber den har, hvad dens krystalstruktur er. Det kan nu ses, at sådanne strukturer kan skabes ikke ved fremgangsmåden til sekventiel eliminering eller udvaskning af de øverste lag (som grafen er opnået), men ved selvmontering. "For at skabe et nyt stof deponerede eksperimenter fra NIMS-instituttet (Japan) kobberatomer fra gasfasen Derefter førte opvarmningen af ​​systemet til, at ilt- og kobberatomer omgrupperede i en ny struktur.

Nye todimensionale strukturer kan have en meget anderledes sammensætning og fantastiske egenskaber, der blot er ukendte for nu.

Ifølge Pavel Sorokin er syntese på et grafensubstrat for øjeblikket den eneste mulighed for at opnå disse todimensionale materialer. Men i betragtning af udviklingen af ​​teknologi er denne begrænsning ganske surmountable: "Nu er udviklingen af ​​videnskab og teknologi i gang med et sådant tempo, at det, der blev betragtet som umuligt for et par år siden, allerede sker i næsten ethvert laboratorium.Videnskab ved hjælp af moderne teknologi fungerer med materialer på atomniveau. Forestil dig at du kan tage et stabilt todimensionelt materiale, lave et hul i det, hvor du skal placere et andet todimensionelt materiale, der er ustabilt i fri tilstand. Og stabilt materiale vil holde sin ustabile fyr fra forfald. Nu er det allerede muligt, men relativt nylig var det antaget, at der ikke kunne findes andre materialer ud over grafen. Så viste det sig, at det stadig er muligt at opnå todimensionelle strukturer, hvis vi stabiliserer dem med lag af andre materialer, beskytter dem mod ilt og andre faktorer, der ødelægger den todimensionelle struktur. Så viste det sig, at det på grund af denne indkapsling (f.eks. Et lag af boritrid) er muligt at stabilisere i princippet ustabile strukturer i fri tilstand underkastet selvdestruktion uden nogen ydre påvirkning. I næste fase begyndte flerelags heterostrukturer med helt nye egenskaber, metamaterialer, at danne sig fra todimensionelle lag. Nu er det vist, at der eksisterer en todimensionel struktur, der ikke behøver at være dækket af et stabiliserende lag.Og hvad vil der ske i morgen? "

Nye funktioner i nye materialer

Nu har forskere et helt hav af muligheder for at samle andre stoffer. Tværtimod kan kobber danne todimensionale strukturer, ikke kun med ilt, men også med svovl, for eksempel. Og i stedet for kobber kan handle jern, nikkel, kobolt og andre metaller. "Nu er vores opgave at skabe en generel teori om todimensionale metalforbindelser", siger Pavel Sorokin. "Da materialerne er nye, er det nødvendigt at beskrive alt korrekt, for at forstå, hvor de mest interessante forbindelser er for os, hvordan de kan eksistere, fordi stabiliteten i dette tilfælde er yderst vigtig : Denne struktur er ikke typisk for en bulkkrystal, så det vil have begrænsninger i stabilitet. "

På trods af den grundlæggende karakter af arbejdet har det nye materiale gode applikationsudsigter. Alle funktionerne i det nye materiale skal undersøges i lang tid, men der kan allerede siges om todimensionelt kobberoxid. En af de mest usædvanlige egenskaber, forudsagt af medarbejderen i Sorokin-gruppen, Dmitry Kvashnin, var antiferromagnetisme, hvilket almindeligt kobberoxid ikke udviser under nogen omstændigheder.Antiferromagneter er meget lovende materialer til mikroelektronik. At skrive en smule information i en antiferromagnet er kun 12 atomer af overfladen, mens eksisterende teknologier bruger hundredtusinder atomer til at skrive en enkelt bit: "Et nyt materiale kan også bruges til spintronik, fordi med tilsætning af andre materialer ved grænsefladen Der kan opnås særlige spinegenskaber, det kan bruges i energisektoren (til produktion af solceller). Andre anvendelser er mulige – vi har endnu ikke studeret hele dets egenskaber, understregede forskeren.

spintronik

I indretninger af moderne mikroelektronik er signalbæreren, informationen, elektronladningen. Spintronics antyder at bruge sin egen vinkelmoment i et elektron-spin i stedet for at lade. Dette vil tillade både kvantitativt at forbedre egenskaberne ved mikroelektroniske enheder og opnå kvalitativt nye effekter.

ferrimagnetisme

I almindelige magnetiske materialer – ferromagneter – er de magnetiske øjeblikke af alle atomer rettet i en retning.I antiferromagnetik styres de magnetiske øjeblikke i nabobådene i modsatte retninger. Hvis naboernes magnetiske øjeblikke er ens, er den totale magnetisering nul, hvis den er forskellig – den svarer til forskellen mellem øjeblikkene rettet mod den ene og den anden side.

Projektstøtte

Pavel Sorokin understregede også vigtigheden af ​​støtte til projektet fra Ministeriet for uddannelse og videnskab, og den internationale bestyrelse nust MISA: "Vores infrastrukturprojekt" Teoretisk Materialer Nanostrukturer "etablerede nust MISA under programmet øge konkurrenceevnen i de førende russiske universiteter blandt verdens førende forsknings- og uddannelsescentre ( Projekt 5-100) som en del af den strategiske akademiske enhed "Materialer og teknologier til at øge varigheden og livskvaliteten." Vores frastrukturny projekt fokuserer på at styrke internationale bånd mellem nust MISA og andre internationale centre. Implement opgave var, da vi gik til Japan og mødtes med specialister fra det nationale institut for materialevidenskab (NIMS). Efter en række møder vi allerede er begyndt at teoretiske beregninger, at hovedparten af ​​at gøre Dmitry.I et halvandet år var det muligt at beregne alle karakteristika, drøfte alle mulige muligheder i en række seminarer og gennem fælles indsats med japanske kolleger at producere resultater på globalt plan. Beregninger blev foretaget på supercomputer-klyngen af ​​NUST MISiS. Uden adgang til det ville vi være meget vanskeligere. Så universitetet spillede en afgørende rolle i etableringen af ​​dette projekt, uden at dette ville simpelthen ikke eksistere. "

En artikel om opnåelsen af ​​forskere fra NUST MISiS, FSBI TISNUM, IBCF RAS og deres udenlandske kolleger fra det japanske institut NIMS blev offentliggjort i tidsskriftet nanoskala.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: