Как известно, открытия делаются тогда, когда выясняется что-то невероятное, во что невозможно поверить. Такая история произошла с научным сотрудником кандидатом физико-математических наук Дмитрием Квашниным из Института биохимической физики им. Н.М.Эмануэля РАН. Изучая вместе с коллегами свойства графена, он обнаружил противоречащий современным теориям результат. Решив, что это ошибка, ученые не спешили широко оглашать полученные данные. И, как выяснилось, напрасно. Зарубежные коллеги получили тот же результат и опубликовались в престижном научном журнале. Тем не менее ученый и коллеги продолжили те же исследования на более глубоком уровне и даже получили на них молодежный грант Президента РФ. Дмитрий Квашнин поведал нам подробности этой истории. Наш корреспондент узнал, как теоретически предсказывают новые стабильные двумерные наноструктуры, перспективные для селективной очистки жидкостей.
— Двумерные наноструктуры представляют собой пленки толщиной от одного до нескольких атомных слоев, — рассказывает Дмитрий Геннадьевич. — Например, хорошо известный двумерный графен — слой из атомов углерода, соединенных между собой в гексагональную сотовидную решетку. Это, кстати, самый прочный из известных сегодня материалов.
Кроме графена ученые всего мира синтезировали большое количество двумерных наноструктур различного состава. К примеру, гексагональный нитрид бора, дихалькогениды переходных металлов, имеющие в составе один атом переходного металла и два халькогена. В отличие от объемных материалов, такие наноструктуры обладают уникальными свойствами, что делает их перспективными для применения в различных областях науки и техники. Уже есть сообщения о создании элементов электронных устройств на основе графена и дихалькогенидов переходных металлов. Сам же графен активно применяют для создания гибких сенсорных экранов, прозрачных электродов, электронных чернил и многого другого.
Более 70 лет назад Лев Ландау и Рудольф Пайерлс доказали, что чисто двумерные кристаллы термодинамически нестабильны и поэтому не могут существовать. Их теория была основана на том, что дивергентный вклад в тепловую флуктуацию в низкоразмерных кристаллических решетках должен вести к смещению атомов на величину порядка межатомного расстояния при любой конечной температуре. Эта теория, однако, не запрещает существования слабо искривленного графена.
Сегодня благодаря интенсивному развитию методов теоретического материаловедения появилось огромное количество работ по предсказанию новых материалов, в том числе двумерных. Это, например, монослои из одного элемента — фосфора, кремния, германия, бора, железа, получившие названия фосфорен, силицен, германен, борофен, иронен. Однако все эти материалы нестабильны в свободном состоянии (то есть при отсутствии поддерживающего слоя) или под воздействием окружающей среды. Другими словами, они не могут существовать и быть использованы при нормальных условиях.
— Какие новые стабильные двумерные наноструктуры вы предсказываете?
— Наш проект продолжает серию работ, которую я начал в свой аспирантский период в Институте биохимической физики им. Н.М.Эмануэля РАН. Исследовал наноструктуры на основе графена, которые впервые предложил мой научный руководитель профессор Леонид Александрович Чернозатонский. Я теоретически определил, что после формирования отверстий в обоих слоях двухслойного графена происходит их спонтанное соединение друг с другом. В результате образуется новая полая двумерная углеродная структура. Эти предсказания впоследствии подтвердились экспериментально.
В нынешнем проекте мы продолжаем исследования тех же наноструктур. Все наши исследования основаны на хорошо известных методах квантово-химических расчетов, в основе которых лежит теория функционала электронной плотности. Этот метод широко используется для изучения атомной структуры новых материалов, а также их физических свойств.
— Какие жидкости можно очищать с помощью ваших наноструктур и как?
— Селективная очистка жидкости — это избирательное отделение вредных примесей и загрязнителей, которых не должно быть в конечном продукте. Примеры такой очистки — опреснение воды или очистка от нефтепродуктов. Мы предлагаем использовать двухслойный графен с периодически расположенными отверстиями. Это своего рода молекулярное сито, способное пропускать сквозь отверстия только определенные соединения. Также планируем изучить возможные процессы контролируемого формирования отверстий в двухслойном графене. Раньше мы обнаружили, что свойства двухслойного графена, как физические, так и химические, сильно зависят от размера отверстий и расстояния между ними. То есть, контролируя геометрические параметры отверстий при их формировании, можно будет изменять способность молекулярного сита фильтровать различного рода молекулы и соединения.
— Что вам уже удалось сделать интересного?
— Раньше под руководством профессора Чернозатонского мы исследовали особенности структуры и свойств двухслойного графена для оценки его возможного применения в элементах полупроводниковой электроники. Изучили электронные свойства таких наноструктур и получили заметную зависимость ширины запрещенной зоны (минимальная энергия, необходимая электрону для перехода из валентной зоны в зону проводимости, это основная электронная характеристика материала) от размера отверстий. В этом проекте исследуем равновесную, обладающую самой низкой энергией форму отверстий после соединения слоев двухслойного графена между собой. Такие исследования крайне важны для экспериментаторов. С помощью наших результатов можно объяснить с фундаментальной точки зрения, на каких областях двухслойного графена будут легче происходить соединения слоев с последующим образованием отверстий. Все это поможет понять и с большей точностью предсказывать геометрические параметры отверстий перед проведением длительных и дорогостоящих экспериментов.
Наши результаты приведут к расширению фундаментальных знаний о структуре и свойствах двухслойного графена, который, возможно, будут применять в качестве фильтрующего элемента для селективной очистки жидкостей. Наши результаты могут быть полезны в таких областях современной науки, как физическая химия, материаловедение, нанотехнология, физика конденсированного состояния вещества.
— С кем сотрудничаете?
— Я считаю, что, занимаясь наукой, просто необходимо сотрудничать с другими научными коллективами, знать о конкурентах и постоянно покорять новые вершины. За время своей работы мне посчастливилось работать в научных группах институтов и университетов нашей страны (МИСиС, ТИСНУМ, СколТех, Сибирский федеральный университет, Институт физики СО РАН) и зарубежья (Дрезденский технический университет в Германии, Университет Аалто в Финляндии, Институт технической физики и материаловедения в Венгрии, Национальный институт материаловедения в Японии). Сотрудничество с другими научными коллективами дает возможность расширять знания и область своих научных интересов, а также способствует возникновению новых идей и совместных проектов.
— Расскажите, пожалуйста, подробнее о той истории с “неправильным” результатом.
— Мне она очень нравится и показывает, с одной стороны, насколько теоретическое исследование является мощным инструментом по получению новых знаний, а с другой — демонстрирует важность непосредственного сотрудничества с экспериментаторами. Около восьми лет назад, когда я был студентом Сибирского федерального университета, под руководством кандидата физико-математических наук Павла Борисовича Сорокина мы теоретически исследовали механические свойства графена, моделируя процесс его продавливания. Наши расчеты показали любопытный результат, предсказывающий, что при наличии в структуре графена небольшого количества моновакансий (дефектов, представляющих собой отсутствие одного атома углерода) механическая жесткость заметно возрастает — примерно в два раза. Это необычный эффект: известно, что формирование дефектов, в особенности вакансий, приводит к снижению механических характеристик макроскопических материалов.
Такой эффект показался нам очень странным, и можно было даже подумать, что он стал результатом ошибки расчетного метода, который мы использовали. В итоге публикация об этом исследовании появилась в малоизвестном сборнике трудов конференции. Спустя пять лет мы принимали участие в одной из международных научных конференций. И в презентации одного из докладчиков увидели результаты экспериментальной работы группы из Мадридского университета по измерению механических свойств графена методом индентирования (продавливания). На слайде было показано точно такое же увеличение жесткости графена при очень малой концентрации вакансий в его структуре (этот результат был в итоге опубликован в ведущем мировом журнале Nature Physics).
Не веря своим глазам, по возвращении с конференции мы принялись проверять полученные ранее результаты и заново проводить все исследования, но на более глубоком уровне. И получили такой же результат и, более того, смогли объяснить природу такого необычного эффекта, наблюдаемого в графене. Впоследствии опубликовали еще одну, уже расширенную научную статью об исследовании эффекта увеличения механической жесткости графена в присутствии малой концентрации дефектов.
Василий ЯНЧИЛИН
Иллюстрации предоставлены Д.Квашниным
Нет комментариев