Двумерными называются материалы, образующие слои толщиной в один атом. Первым из таких материалов стал полученный в 2004 году двумерный углерод — графен. Свойства этого вещества изумительны. Графен очень легкий и эластичный, но достаточно прочный, чтобы делать из него бронежилеты. Материал прозрачен, но при этом хорошо проводит ток. Это очень редкое сочетание весьма полезно при разработке электроники. Ученые открывают все новые перспективные свойства графена. Например, недавно обнаружилось, что микроскопические добавки двумерного углерода заметно повышают проводимость медной проволоки.
Впечатленные потенциалом графена ученые занялись поиском других двумерных материалов. Это нетривиальная задача, ведь далеко не всякие атомы могут образовать стабильную плоскую решетку. Моделирование на суперкомпьютерах предсказало около тысячи двумерных материалов, а искусственный интеллект увеличил это число на порядок.
Конечно, смоделировать вещество на компьютере — отнюдь не то же самое, что синтезировать его в лаборатории. Но исследователи постепенно воплощают «плоский мир» в реальность. Химики уже получили двумерный фосфор, кремний, германий, олово, бор, теллур, галлий и другие вещества.
Золотое сечение
Особенно велик интерес ученых к двумерному золоту — гольдéну. Тому есть несколько причин.
Прежде всего, золото — незаменимый катализатор для химической промышленности. Катализ (ускорение химических реакций) происходит на поверхности золота. Легко понять, почему это так: в процессе участвуют лишь те атомы катализатора, что соприкасаются с реагентами. Атомы же, запертые внутри золотой пластины — это балласт, бесполезный, но отнюдь не дешевый. Чтобы сэкономить драгоценный металл, нужна максимальная площадь поверхности на грамм. Двумерный материал — идеальное решение: он заставляет работать буквально каждый атом.
Свой интерес и у разработчиков техники. Гольден пригодится в создании сверхбыстрой электроники, точнее, фотоники и плазмоники. Это особенно актуально в ситуации, когда традиционные компьютеры все ближе подходят к пределу эффективности.
Полезные свойства гольдена можно перечислять еще долго. Однако ученым длительное время не удавалось его создать. Некоторые научные группы получали слои двумерного золота, намертво зажатые внутри материала-подложки. При попытке высвободить гольден он разрушался. Правда, в 2019 году исследователи получили слой золота толщиной в два атома. Отличное решение для катализаторов, но не для электроники. Особые физические свойства гольдена появляются именно благодаря тому, что атомы образуют двумерную решетку вместо трехмерной.
И вот теперь шведские ученые опубликовали в престижном журнале Nature Synthesis отчет о получении настоящего гольдена. Парадоксально, но исследователи сделали это открытие почти случайно.
Экспериментаторы работали с карбидом кремния-титана Ti3SiC2, в толще которого кремний образует мономолекулярные слои. Этот материал — электропроводящая керамика, и ученые попытались покрыть его золотом для лучшего контакта. Под воздействием высокой температуры двумерные кремниевые слои внутри кристалла заменились на золотые. Оставалось извлечь гольден из керамики и не дать атомарно тонким слоям слипнуться и скрутиться. Эта задача потребовала нескольких лет исследований, но ученые разработали достаточно простой и масштабируемый метод.
Расширяй и властвуй
Недавно пришла еще одна интригующая новость из мира двумерных материалов. Ученые синтезировали материал с рекордной способностью к «аномальному» растяжению.
Поясним, о чем речь. Возьмите полиэтиленовый пакет или пустой воздушный шарик и потяните его за концы. Растягиваясь в длину, он уменьшается в ширину, становясь все более похожим на веревку. Именно так и ведет себя большинство материалов: растягиваясь в одном направлении, они сжимаются в перпендикулярном.
Но есть особый класс материалов — ауксетики. Они ведут себя крайне неожиданным образом: растягиваясь в длину, одновременно расширяются и в ширину. Если растягивать за концы кусок ауксетика, он будет не «худеть» до состояния веревки, а «прибавлять в талии». Дело в том, что в нормальном состоянии ауксетик несколько сжат собственными внутренними силами. Продольное растяжение меняет структуру материала и ослабляет сжатие, как если бы убрали препятствие, мешающее его поперечной «пружине» распрямиться.
Ауксетический эффект потенциально очень полезен — например, для разного рода механических датчиков. Проблема в том, что он слишком мал. До недавних пор рекордом ауксетического расширения было «прибавление в талии» на 10% при увеличении «роста» на 100%.
Несколько лет назад теоретики рассчитали, что двумерный карбид дивольфрама W2C будет обладать огромным ауксетическим эффектом. Многие научные группы пытались синтезировать этот материал. Но стандартные методы получения двумерных материалов не годятся для карбида дивольфрама: вместо него все время получается карбид вольфрама WC.
В недавней научной статье канадские ученые сообщили, что синтезировали очень тонкие слои карбида дивольфрама с помощью специальной плазменной установки. Авторы не утверждают, что получили двумерный материал. Но, похоже, их продукт состоит из нескольких слоев двумерного W2C и в целом сохраняет его структуру. Измеренный ауксетический эффект вчетверо превзошел предыдущий рекорд — 40% расширения на 100% растяжения. Возможно, эта технология со временем откроет путь и к двумерному карбид дивольфрама. Но даже в таком виде материал уже имеет коммерческую перспективу.
К слову, о коммерции. Мировой рынок графена в 2023 году оценивался в $433 млн и по прогнозу должен вырасти в 2024-м до $570 млн. Другими словами, ожидается годовой рост более чем на 30%. Остальные двумерные материалы пока не настолько востребованы, но это дело времени. Выгода от их применения очевидна, и дело лишь за сопутствующими технологиями. Вероятнее всего, «двумерная революция» — вопрос одного-двух десятилетий.