Исследователи добились значительного прорыва в материаловедении, создав стабильные металлические нанотрубки из дисульфида niobium — успех, который долго считался недостижимым. Неожиданный ключевой ингредиент? Обычная поваренная соль. Это открытие, опубликованное в журнале ACS Nano, открывает двери к более быстрой электронике, сверхпроводящим проводам и, возможно, даже будущим квантовым компьютерам.
Нанотрубки — это микроскопические цилиндры из свернутых атомов, тысячи которых могли бы поместиться на человеческий волос. Их уникальный размер и структура придают им необыкновенные свойства по сравнению с традиционными объемными материалами. Они могут быть прочнее стали, но легче пластика, эффективно проводить электричество с минимальным сопротивлением, эффективно передавать тепло и даже проявлять необычные квантовые эффекты.
Эти характеристики сделали нанотрубки очень востребованными строительными блоками для передовых технологий. Однако предыдущие попытки в основном сосредоточились на создании нанотрубок из углерода (полупроводникового или полуметаллического) и бороводородного нитрида (изоляционного). Изготовление металлических нанотрубок, которые ведут себя иначе на атомном уровне, оказалось значительно сложнее.
Металлические нанотрубки обладают огромным потенциалом благодаря своей способности проявлять сверхпроводящие свойства — позволяющие электричеству течь с нулевым сопротивлением — и магнитные свойства. «Эти оболочки, в принципе, могут проявлять такие явления, как сверхпроводимость и магнетизм, которые невозможны в изоляционных или полупроводниковых версиях», — объясняет Славка В. Роткин, профессор инженерных наук и механики и ведущий исследователь Пенсильванского государственного университета. «Предыдущие попытки с углеродными нанотрубками не достигли этих свойств из-за недостаточной электронной плотности».
Команда сосредоточилась на дисульфиде niobium, металле, известном своей сверхпроводящестью в массивной форме. Им удалось раздобыть этот металл в невероятно тонкие трубки — billionths метра в диаметре — обматывая его вокруг шаблонов, сделанных из углеродных и бороводородных нитридных нанотрубок.
Этот процесс формовки оказался ключевым прорывом: обычно дисульфид niobium предпочитает образовывать плоские пластины.
Неожиданным решением стал микроскопический привнос поваренной соли в точке роста процесса. «В каком-то смысле это было похоже на алхимию», — говорит Роткин. «Вы добавляете этот крошечный ингредиент, и внезапно реакция меняется. Без соли дисульфид niobium растет плоским; с ним он обволакивает нанотрубку и образует необходимые оболочки.»
Дальнейшие неожиданности появились во время наблюдения. Вместо того чтобы в основном образовывать однослойные трубки, эти нанотрубки предпочитали двухслойную структуру — подобно вложенным соломкам.
Роткин предполагает, что эта необычная форма обусловлена электрической активностью между слоями. «С двумя слоями электроны могут перескакивать с одного на другой», — поясняет он, — «действуя как атомный конденсатор, который стабилизирует всю структуру». Вычислительные модели подтверждают эту теорию.
Эта уникальная свернутая форма также решает устойчивую проблему при работе с плоскими 2D материалами. Для создания нановолокна из этих пластин ученые обычно применяют литографию — подобно гравированию узоров на кремниевых кристаллах. Однако в столь микроскопическом масштабе вырезание оставляет зазубренные края, которые нарушают свойства материала.
«Если свернуть его», — отмечает Роткин, — «вы получите оболочку без свисающих связей. Диаметр оболочки указывает вам точно на то, каким будет поведение. Нанотрубки намного менее случайны, чем нановолокна, вырезанные из двумерных листов.» Эта точность может сделать металлические нанотрубки незаменимыми для применений, требующих надежной работы в наномасштабе.
Хотя исследования находятся еще на ранней стадии, этот прототип дает нам представление о захватывающих возможностях. «Это предварительные результаты», — говорит Роткин, — «но они показывают, что мы можем выращивать металлические нанотрубки и начинать понимать их стабильность. Отсюда мы можем начать думать о том, как интегрировать их в технологии».
Проект подчеркивает силу международного сотрудничества. «Это не работа, которую можно выполнить в изоляции», — подчеркивает Роткин. «Для этого требуется команда с разнообразным опытом, и мне повезло быть частью такой команды».
Будущие исследования могут проложить путь к суперпроводящим проводам, обеспечивающим более быструю электронику, а также исследовать применения в квантовых компьютерах — технологиях, которые полагаются на использование уникальных свойств материалов в наномасштабе
