Исследователи впервые создали нанотрубки из сульфида ниобия с устойчивыми и предсказуемыми свойствами — это давняя цель в области передовых материаловедения. Согласно международной команде, включая исследователя из Пенсильванского государственного университета, который добился этого результата, новый наноматериал может открыть двери для более быстрой электроники, эффективного транспорта электричества через сверхпроводящие провода и даже будущих квантовых компьютеров. И всё это стало возможным благодаря неожиданному ингредиенту — поваренной соли.
Подробности исследования
Они опубликовали своё исследование в журнале ACS Nano.
Нанотрубки — это настолько маленькие структуры, что тысячи из них могли бы уместиться на ширине человеческого волоса. Эти крошечные полые цилиндры создаются путём сворачивания листов атомов. Нанотрубки имеют необычный размер и форму, из-за чего могут вести себя совсем не так, как трёхмерные или объёмные материалы.
Они могут быть прочнее стали, но легче пластика, проводить электричество с малым сопротивлением, эффективно проводить тепло и даже проявлять экзотические квантовые эффекты.
Профессор инженерных наук и механики, профессор физики и член Института исследований материалов Пенсильванского государственного университета Слава В. Роткин считает, что эти свойства делают их перспективными строительными блоками для будущих технологий.
Роткин объяснил, что свойства можно адаптировать, используя определённые типы атомов для изготовления нанотрубок. Это одна из причин, по которой исследователи стремились создать нанотрубки из дисульфида ниобия. До сих пор учёные могли надёжно создавать нанотрубки из углерода, который может действовать как полупроводник или полуметалл, и из изоляционного нитрида бора, но не из настоящих металлов, которые ведут себя совсем иначе на атомном уровне.
«То, что у нас есть сейчас, — это металлические оболочки, которые в принципе могут демонстрировать такие явления, как сверхпроводимость и магнетизм, что невозможно в изолирующих или полупроводниковых версиях», — сказал Роткин. «Предыдущие нанотрубки из полуметаллического углерода не проявляли сверхпроводимости или ферромагнетизма из-за низкой плотности электронов».
Команда работала с дисульфидом ниобия — металлом, известным в объёме своими необычными свойствами, такими как сверхпроводимость, которая позволяет электричеству течь с нулевым сопротивлением. Им удалось превратить этот металл в трубки шириной всего в миллиардные доли метра, обмотав его вокруг шаблона, изготовленного из углерода и нанотрубок из нитрида бора.
Получение материалом такой свёрнутой формы стало прорывом, сказал Роткин. Обычно такие материалы предпочитают растекаться плоскими листами. Исследователи обнаружили, что добавление крошечного количества обычной соли в нужный момент в процессе роста изменило всё.
«В каком-то смысле это было немного похоже на алхимию в Средние века, — сказал Роткин. — Вы добавляете крошечный ингредиент, и внезапно реакция меняется. Без соли дисульфид ниобия растёт плоским. С солью он обволакивает нанотрубку и образует оболочки, которые нам нужны».
Нанотрубки преподнесли ещё один сюрприз. Вместо того чтобы создавать в основном однослойные трубки, материал предпочёл сделать два слоя, как пара вложенных соломинок.
«Мы обнаружили, что наибольшее количество нанотрубок малого диаметра было двухслойными, а не однослойными, — сказал Роткин. — Это означает, что создание двух оболочек как-то более выгодно, чем создание одной, что обычно не ожидаешь».
Роткин и его коллеги считают, что рост двойной оболочки стал результатом движения электричества между оболочками. С двумя слоями электроны могут перескакивать с одного на другой, действуя как своего рода конденсатор атомного размера, который стабилизирует всю структуру. Роткин предложил новую модель и провёл компьютерное моделирование, которое подтвердило эту идею.
Свёрнутая форма этих нанотрубок также решает проблему, которая стояла перед инженерами, работающими с плоскими двумерными материалами. Чтобы сделать нанопроволоки из плоских листов, учёные должны вырезать их с помощью литографии — процесса, похожего на травление узоров на кремниевых чипах. Но в таких крошечных масштабах резка оставляет неровные края, которые нарушают свойства материала.
«Если вы свернёте его, у вас получится оболочка без болтающихся связей, — сказал Роткин. — Диаметр оболочки точно скажет вам, каким будет поведение. Нанотрубки гораздо менее случайны, чем нанопроволоки, вырезанные из двумерных листов».
Такая точность может сделать металлические нанотрубки ценными для приложений, требующих надёжности на наноуровне, сказал Роткин.
«Мы знаем, что двумерный дисульфид ниобия уже демонстрирует сверхпроводимость, — сказал Роткин. — Если мы сможем использовать это в одномерных нанотрубках, это откроет возможности для квантовых вычислений и создания сверхпроводящих проводов, которые могут сделать электронику более быстрой и эффективной».
Пока исследование всё ещё находится на фундаментальной стадии, но оно представляет собой важное доказательство концепции, по словам Роткина.
«Это ранние результаты, но они показывают, что мы можем выращивать металлические нанотрубки и начинаем понимать их стабильность, — сказал Роткин. — Отсюда мы можем начать думать о том, как интегрировать их в технологии».
Роткин, который внёс теоретическое моделирование взаимодействия оболочек, сказал, что проект показывает силу международного сотрудничества.
«Это не работа, которую можно выполнить изолированно, — сказал он. — Для этого нужна команда с разным опытом, и мне посчастливилось быть частью этого».
Предоставлено Пенсильванским государственным университетом.