Сегодня наноматериалы (материалы, созданные с использованием наночастиц или с применением нанотехнологий) все больше используют не только в лабораториях, но и на производстве: для получения уникальных механических свойств в различных углеродных композитах, при разработке электроники, лекарств и многого другого. Есть два подхода к созданию наноматериалов. Один называется «сверху-вниз», а другой, наоборот, «снизу-вверх». Первый предполагает, что наноматериалы делают из структур вполне осязаемых, макроскопических размеров. Так, например, некоторые наночастицы можно получать просто измельчая микрочастицы того же вещества в шаровой мельнице, а нобелевские лауреаты по физике 2010 года Андрей Гейм и Константин Новоселов рассказывают, что первые образцы графена они нашли на липкой ленте скотча, отодранного от графита.
Подход «снизу-вверх» предполагает более сложную технику. Его самое радикальное воплощение — непосредственная сборка нанообъекта из отдельных атомов, которыми манипулируют с помощью атомного-силового микроскопа. Понятно, что такая технология очень трудоемкая и дорогая, потому ученые обычно действуют хитрее: они «заставляют» какие-нибудь маленькие объекты собираться в наноструктуры под действием внешних факторов.
Так, чуть более пяти лет назад ученые впервые придумали способ получать нанографеновые листы прямо внутри алмаза (оба этих материала наряду с тем же самым графитом или, например, нанотрубками представляют собой разные формы углерода). Для этого алмаз обрабатывают фемтосекундным лазером (такие лазеры способны генерировать короткие световые импульсы длительностью в несколько фемтосекунд — 10—15 секунды).
Излучение фокусируется в толще материала, и алмаз начинает плавиться, а после из этого расплава самопроизвольно образуются графеновые листы.
Эта методика вполне успешно применялась во многих исследованиях. Например, американские ученые под руководством Ричарда Канера и вовсе получили графен с помощью обычного компакт-диска и DVD-дисковода. Исследователи наносили на диск раствор оксида графита, который после высыхания образовывал тонкую пленку. Затем диск вставляли в дисковод, обрабатывали его с помощью программы записи и получали на поверхности графеновые структуры.
Однако метод синтеза графена внутри алмазов с помощью лазеров пока не совсем отработан. Так, у материалов, полученных разными научными группами, заметно и подчас необъяснимо отличаются характеристики. Кроме того, у ученых до сих пор не было внятной модели для описания процесса превращения алмаза в графен под действием лазерного излучения. Исправить досадный пробел решили российские ученые.
Для этого они взяли алмаз размерами 1,1х1,2х5,0 миллиметра и облучали его фемтосекундным лазером, а потом описывали получающиеся структуры с помощью методов оптической микроскопии и рамановской спектроскопии комбинационного рассеяния (эта техника позволяет отличать атомы углерода, образующие графен, и атомы углерода, образующие алмаз, поскольку они по-разному взаимодействуют со светом).
В результате оказалось, что в графен превращается только малая часть атомов углерода — около 16%. Происходит это следующим образом: сначала в структуре материала под действием лазерных импульсов, несущих большую энергию, появляются трещины, а затем вокруг них нарастают графеновые нанослои, каждый толщиной примерно в 40—100 нанометров. Эти слои могут быть по-разному упорядочены в пространстве, но всегда перекрываются между собой и образуют непрерывную фазу — такой электропроводящий островок среди непроводящего алмаза.
Трещины в алмазе, образовавшиеся под воздействием лазера. Фото авторов исследованияНа основе подобных структур можно создавать электрические конденсаторы очень большой емкости. В простейшем случае эти электронные компоненты представляют собой две проводящие пластины, разделенные непроводящим диэлектриком (при этом емкость такого плоского конденсатора прямо пропорциональна площади его пластин). Эту же схему отдаленно напоминает и изученная система, но только проводящие плоские листы графена в таком конденсаторе разделены не воздухом или жидкостью, а непроводящей толщей алмаза.
Далее читайте на Чердаке.
Комментарии:
Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв