Ученые давно изучают графен и знают о его необычных свойствах. Однако новое исследование открывает совершенно неизведанные перспективы.
Британские физики из Шеффилдского университета выяснили, что когда два слоя графена, каждый толщиной с один атом, размещаются один над другим, их свойства меняются. И возникает материал с новыми гибридными свойствами.
Причем, это происходит без физического смешивания двух слоев атомов. Также нет никакой химической реакции. Все происходит благодаря слабому взаимодействию силы Ван-дер-Ваальса (силе, возникающей при поляризации молекул и образовании диполей).
Это потенциальный способ создания новых материалов и нанотехнологических устройств, считают авторы открытия. Ведь свойства нового гибридного материала можно с высокой точностью контролировать, выгибая оба слоя графена. Это дает неслыханную свободу при создании композитных материалов на наноуровне, а также целых наноустройств для технологий будущего.
Как все получилось?
Исследование, результаты которого были опубликованы в авторитетном журнале Nature, показывает, что два слоя графена оказываются связанными подобно тому, как липкая лента прилипает к плотной поверхности.
Работу проводили не на «ровном месте».
Идея использования слоев различных материалов для создания так называемых гетероструктур возникала в 1960-х, когда проводились исследования свойства арсенида галлия для создания миниатюрных лазеров, которые впоследствии приобрели широкое распространение.
Сегодня гетероструктуры активно применяют в индустрии полупроводников, как средство для создания и управления электронными и оптическими параметрами устройств.
С началом эры 2D-кристаллов, таких как графен, появились новые типы гетероструктур. Для их создания используются слои материалов толщиной как атом, содержащихся вместе благодаря силе Ван-дер-Ваальса.
Они даже получили название «гетероструктуры Ван-дер-Ваальса» и считаются потенциальным инструментом для создания метаматериалов.
С помощью этого метода, используя 2D-технологии, возможны сотни комбинаций композитов, которые невозможно создать никаким другим способом с использованием привычных 3D-материалов.
Метаматериалами называют композиционные материалы, свойства которых обусловлены не только свойствами составляющих его элементов, но и искусственно созданной периодической структурой. В природе такие материалы не могут возникнуть. И соответственно, они имеют свойства, которых нет у материалов природного происхождения.
Сейчас некоторые метаматериалы проходят испытания. Например, в США был создан метаматериал с отрицательным показателем преломления в видимой области. Фактически, он способен скрыть трехмерный объект. Этот метаматериал создан с золотой подложки и фторида магния.
В антенной технике метаматериалы используют для достижения широкополосности и уменьшения размеров антенных элементов.
Графен и метаматериалы
Исследователи из Шеффилдского университета использовали гетероструктуры Ван-дер-Ваальса, сделанные из двухмерных дихалькогенидов переходных металлов. В трехмерном состоянии они образуют нечто вроде графита (из которого делают стержни карандашей). А из него извлекают 2D-слои графена толщиной в один атом углерода.
Далее исследователи выяснили, что когда два таких слоя сочетаются, их свойства меняются.
«Один плюс один в этом случае равняется двум», — констатирует один из авторов исследования Александр Тартаковский, сотрудник факультета физики и астрономии университета Шеффилда. По его словам, оба материала влияют на свойства друг друга, и должны рассматриваться как новый единый метаматериал.
«Мы также выяснили, что степень «гибридизации» находится в строгой зависимости от изгиба между атомными решетками обоих слоев», — рассказал исследователь.
Теоретически, ученые могут использовать эту технологию для создания новых видов материалов с заранее запрограммированными свойствами. По словам Тартаковского, это могут быть сверхпроводимости, оптические и магнитные свойства.
