Создание новых материалов – это путь, пожалуй, максимально быстрого применения последних достижений физики и химии в практической области. Современное материаловедение достигло уровня, на котором рассматривается связь строения веществ на атомном и молекулярном масштабе с их свойствами в макромире. В течение года мы неоднократно рассказывали о разработанных учеными новых материалах в новостях и обзорах ProScience, в лекциях Полит.ру, однако всегда есть исследования, которые еще не были упомянуты. О некоторых из них мы хотим рассказать в конце года.
Много новых материалов, разработанных в 2013 году, связаны с использованием графена, точнее с сочетанием этой формы углерода с другими веществами. Ученые из Массачусетского технологического института, как сообщает их статья в Science, получили графеновый полупроводник, нанеся слой графена на подложку из нитрида бора. При этом свойства графена изменяются в зависимости от того, под каким углом пересекаются его кристаллическая решетка и кристаллическая решетка нитрида бора. Другой коллектив исследователей сумел обосновать использование графена в качестве основы электродов в аккумуляторах. Согласно расчетам, литиевый аккумулятор с электродами из бора, нанесенного на графеновую основу, будет иметь емкость более 7,6 мегаджоулей на килограмм (примерно в пять раз больше современных).
Большая перспектива у технологии, опробованной испанскими исследователями. Ученые из Мадридского института передовых исследований в нанонауке (Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia), Мадридского университета Комплутенсе (Universidad Complutense de Madrid) и Мадридского автономного университета (Universidad Autónoma de Madrid) попробовали нанести на графен тетроциано-пара-хинодиметан (TCNQ), графеновый слой при этом располагался на подложке из рубидия. TCNQ – это вещество с формулой (NC)2CC6H4C(CN)2. Оказалось, что при нанесении на графен оно приобретает магнитный момент: его молекулы располагаются зонами с одинаковой ориентацией спинов. Это явление в будущем можно будет использовать при создании электронных устройств, в которых для кодирования информации будет использоваться не только заряд, но и спин частиц (так называемая спинтроника). Эта технология позволит значительно улучшить устройства хранения и передачи информации. Статья испанских ученых была опубликована у Nature Physics.
В Китае создан аэрогель графена – самое легкое твердое вещество, в семь раз легче воздуха. Прошлый рекорд легкости твердых веществ принадлежал аэрографиту, плотность которого 0,18 миллиграмма на кубический сантиметр. Плотность аэрогеля графена 0,16 мг на кубический сантиметр. Он настолько легок, что один его кубический сантиметр может лежать на тычинках цветка или пухе одуванчика. Новый материал способен восстанавливаться после сжатия почти на 90%. Перспективная область его применения – ликвидация разливов нефти в океане. Аэрогель графена способен впитать нефть массой в 900 раз больше собственной. Скорость впитывания 68,8 граммов в секунду. Также его можно использовать как изоляционный материал и в качестве электрода в ионисторах.
Другая перспективная область – использование углеродных нанотрубок. Исследователи из Университета Уильяма Райса (Хьюстон, США) совместно с коллегами из Израиля и Нидерландов смогли в этом году заплести нанотрубки в волокно. Получившиеся нити сочетают в себе высокую прочность и гибкость с высокой электропроводностью, сравнимой с электропроводностью меди. Они найдут применение в электронике и технологии передачи электроэнергии на большие расстояния.
Журнал Nature Nanotechnology рассказал о разработанном учеными из Университета штата Мичиган и Института фотонных исследований в Барселоне (ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques) методе определения слабых колебаний электростатического поля при помощи углеродных нанотрубок. Этот метод основан на колебаниях нанотрубок в электрическом поле. Как сказал один из авторов исследования, силы, отражающиеся в этих колебаниях столь малы, что их можно сравнить «с гравитационным притяжением двух людей, находящихся на расстоянии 4,5 тысячи километров». Новая технология сможет регистрировать изменение спина отдельного электрона. Это сделает возможным значительное увеличение точности магнитно-резонансной томографии.
Весьма интересны и перспективны свойства станена – материала, аналогичного по строению графену, но состоящего не из атомов углерода, а из атомов олова. Группа исследователей под руководством профессора Шоучэн Чжана в Стенфордском университете занимается исследованием топологических изоляторов – материалов, поверхность которых электропроводна, а остальная часть представляет собой диэлектрик. В случае сверхтонкой пленки электропроводными оказываются края материала. Топологические изоляторы были предсказаны теоретически в 2005 году, а впервые синтезированы в 2008 (антимонид висмута). Ученые предполагают, что материал на основе станена с добавленными атомами фтора станет высокоэффективным топологическим изолятором. Предвидя блестящее будущее станена в качестве компонента микросхем, профессор Чжан даже предположил, что когда-нибудь кремниевую долину придется переименовать в Оловянную.
Несколько неожиданным оказалось появление в такой новейшей области физики конденсированных сред, как изучение топологических изоляторов, природного материала, тем не менее 2013 год принес и такой сюрприз. Найденный в старом руднике в Чехии, где когда-то добывали золото, минерал кавалюзит оказался наделенным свойствами топологического изолятора. Его описала в журнале Nano Letters группа немецких и швейцарских физиков во главе с Паскалем Герингом. Примерный состав этого минерала – Bi2(Te,Se)2(Se,S). При этом его качество оказалось выше, чем у полученных до сих пор синтетических изоляторов, так как он не содержит дефектов, приводящих к появлению областей проводимости внутри материала. Возможно, более выгодным будет добывать природный топологический изолятор, чем синтезировать искусственные.
Если упомянутый нами выше метод увеличения емкости литий-ионных аккумуляторов с использованием электродов из графена и бора пока находится на теоретической стадии, то другой способ, предложенный в Высшей технической школе Цюриха (Eidgenössische Technische Hochschule Zürich), можно реализовать уже сейчас. Группа исследователей под руководством Максима Коваленко смогла вырастить нанокристаллы олова и оксида олова размером от 9 до 23 нанометров с большой точностью. Нанокристаллы образуют подобие «губки», связывающей ионы лития и выпускающей их при разрядке аккумулятора. Один атом олова в нанокристалле способен связать до четырех ионов лития. Емкость аккумулятора, на аноде которого будут расположены эти нанокристаллы, увеличится в два раза по сравнению с существующими моделями. При этом емкость начальной зарядки отличаться не будет, но после многочисленных циклов зарядки и разрядки аккумулятора разница в емкости станет заметной.
Другая конструкция сверхмощных литиевых аккумуляторов представлена учеными из Университета Иллинойса. Они также получены благодаря наноматериалам: анод состоит из сплава олова и никеля, а катод из соли лития (LiMnO2). Трехмерная структура анода и катода напоминает микроскопические «гребенки» с пористыми зубцами. Она обеспечивает быстрое прохождение химических реакций. Всё это позволяет новым батареям как запасать много энергии, так и выделять ее в краткое время.
