Пауки, которых поили водой с графеном и углеродными нанотрубками, стали плести паутину в пять раз прочнее обычной! А гусеницы тутового шелкопряда, употреблявшие те же добавки, научились производить сверхпрочный и электропроводный шёлк. Всё это результаты исследований 2D-материалов, горизонты применения которых кажутся безграничными.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №3(31). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

В 2010 году Нобелевская премия по физике была вручена Андрею Гейму и Константину Новосёлову за открытие структуры толщиной в один атом. Это самое тонкое в мире вещество представляет собой плоскую сетку из шестиугольников — «пчелиных сот», — в вершинах которых расположены атомы углерода, каждый в окружении трёх соседей. До этого считалось, что получить подобную сетку на практике невозможно. Так, советский физик Лев Ландау, тоже нобелевский ­лауреат, теоретически доказал, что подобная структура неизбежно свернётся в трубку. Поэтому публикация Гейма и Новосёлова Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films в авторитетном журнале Science (2004) произвела фурор в научном мире. Чем же интересен 2D-материал графен?

Во-первых, благодаря ковалентным связям между атомами углерода он очень прочный — гораздо прочнее любого другого материала аналогичной толщины, — но при этом гибкий!

Во-вторых, обладает электропровод­ностью, сравнимой со сверхпроводимостью, — при комнатной температуре. У углеродного атома четыре валентных электрона, которые обычно расходуются на образование связей с соседними атомами. В графене же у каждого атома только три соседа, и уходит на них три валентных электрона из четырёх. Последний участвует в образовании π-связи, обеспечивающей баллистическое, то есть без потерь, перемещение электронов в графене, — уникальное явление для модификаций углерода.

В-третьих, графен почти прозрачный, он поглощает только 2% света — это сравнимо со светопоглощением стекла. «Графеновая история» вдохновила тысячи учёных по всему миру, и список 2D-материалов стал стремительно расти.

Transition metal dichalcogenides (TMD), или халькогениды переходных металлов, 2D-материалами можно назвать лишь условно: у них целых три атомных слоя, но толщина структуры вполне сравнима с графеном. В центре такой слойки находятся атомы переходных металлов — вольфрама или молибдена, — сверху и снизу их прикрывают атомы серы или селена. Химические формулы у них прос­тые: WSe2 (диселенид вольфрама) и MoS2 (дисульфид молибдена), но свойства во многом уникальны. Так, монослой TMD является превосходным прямозонным полупроводником, что позволяет ему ярко светиться в результате электрического или оптического возбуждения. Представляете, какими тонкими и гибкими могут быть экраны смартфонов из таких 2D-материалов!

Молекула белого графена

Второй по твёрдости материал в мире — нитрид бора BN — настоящий хайтек-материал! Его разновидность, гексагональный h-BN, который также называют белым графеном, используется для охлаждения и потенциально способен заменить компьютерные кулеры. Двумерные листы такого материала, соединённые борнитридными трубками, отлично отводят тепло в разных направлениях. h-BN уникален тем, что впитывает нефть в 33 раза больше собственного веса и противостоит ржавчине. Тончайший слой белого графена, нанесённый на металлическую поверхность, блокирует доступ кислорода и влаги к стали.

Халькогенидное стекло используется в фотонной интегрированной оптической схеме

Нитрид бора является диэлектриком и плохо проводит электрический ток из-за широкой запрещённой зоны. У атомов металлов так называемые зона проводимости и зона валентных электронов перекрываются, и вещество хорошо пропускает электрический ток — это типичный проводник. У диэлектриков минимальная энергия, необходимая для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости, будет выше 6 электронвольт (эВ) — в этом случае мы говорим об очень широкой запрещённой зоне. А в полупроводниках запрещённая зона средняя, и для перехода электронов в зону проводимости нужно всего несколько эВ.

Белому графену нашли необычное применение — в качестве подложки для классического графена. Этакий «бутерброд» отлично стабилизирует графен и во многом улучшает его физические свойства. Достигается это за счёт большого сходства кристаллических решёток двух веществ.

В 2015 году в 2D-гонку включился сосед углерода по периодической таблице — бор. Атомарный монослой из бора по аналогии с графеном назвали борофен. По структуре он похож на гофрированный лист, что делает его первым в мире анизотропным 2D-материалом. Строение и свойства борофена были установлены ещё до его синтеза благодаря компьютерному моделированию. Материал имеет рекордный предел прочности среди подобных.

3D-структура слоёв гексагонального нитрида бора и нанотрубок из нитрида бора

В 2009 году исследователи из российской Черноголовки и английского Манчестера синтезировали графан — гидрированную форму графена — с примитивной формулой CH. Достаточно присоединить к каждому атому графена водород, и получится материал с новыми свойствами. Такая трансформация повлияла на электропроводность вещества: при низких температурах графан — типичный диэлектрик. Обратно графан превращается в графен при нагреве до 450 оС. Благодаря этому свойству графан может использоваться в альтернативной энергетике в качестве основы водородных аккумуляторов.

На данный момент наука и технологии не могут порадовать нас массовым серийным применением 2D-материалов в промышленности, но их потенциал огромен. Эксперименты с участием животных позволили создать гибридные прочные белковые волокна с графеновыми включениями, однако механизмы трансформации 2D в пауках и шелкопрядах до конца не изучены, поэтому говорить о полномасштабном внедрении рано.

Химия наноматериалов предполагает использование пористых графеновых плёнок в качестве ультрачувствительных газовых детекторов. Молекулы газа (например, аммиака или диоксида углерода) застревают в слоях графена и резко меняют электрическое сопротивление материала, что и становится аварийным сигналом для детектора. Это свойство графеновых плёнок позволяет применять их для сверхэффективной очистки воды и даже её опреснения.

В отличие от идеально двумерного графена, борофен, выращенный на серебряной подложке, имеет складчатую структуру. Она придаёт материалу дополнительную гибкость, сохраняя уникальные электрические свойства.

Интересно выглядит возможность создания новых трёхмерных кристаллов из плоских 2D-материалов. Для этого формируются стопки монослоёв двумерных материалов различной природы, скрепляемые межмолекулярными ван-дер-ваальсовыми силами. Такие гетероструктуры могут стать основой для оптоэлектронных устройств, например экранов гаджетов уникальной толщины и гибкости. Инженеры также предрекают 2D-сэндвичам центральное место в фотодетекторах камер мобильных телефонов. Дисульфид молибдена, графен и нитрид бора, наслоённые друг на друга, уже работают в качестве полевых транзисторов. Всё это может до неузнаваемости изменить мир электроники благодаря уникальной скорости работы, экономичности, портативности и… гибкости.

2D-материалы находят применение в медицинских технологиях: графен и его производные помогают в лечении рака. Так, опыты на мышах обнаружили аккумуляцию в злокачественных опухолях микропластинок графена, покрытых полиэтиленгликолем. Исследователи фокусируют на скоплениях графена специальный лазер с длиной волны 808 нм, поднимают температуру внутри опухоли до 50 оС и убивают зловредные клетки. А распознать частицы графена в толще живой ткани позволяет флуоресцентная краска, предварительно нанесённая на наноматериал.

Впрочем, пока не найден недорогой способ синтеза графена, все изыскания учёных будут оставаться в пределах лаборатории. Основным способом получения 2D-материалов является газовое осаждение на подложке из карбида кремния с последующим выращиванием плёнки толщиной в один атом. Высокие давление и температура синтеза, а также серьёзные требования к чистоте делают процесс производства очень дорогим.

Исследователи чуть ли не каждую неделю расширяют горизонты применения перспективных двумерных материалов — некоторые из них действительно способны перевернуть мир. Кто знает, может, будущие столетия пройдут под знаком 2D?