Дослідники досягли значного прориву в матеріалознавстві, створивши стабільні металеві нанотрубки з дисульфіду ніобію – успіх, який довго вважався недосяжним. Неочікуваний ключовий інгредієнт? Звичайна кухонна сіль. Це відкриття, опубліковане в журналі ACS Nano, відкриває двері для більш швидкої електроніки, надпровідних проводів і, можливо, навіть майбутніх квантових комп’ютерів.
Нанотрубки – це мікроскопічні циліндри зі згорнутих атомів, тисячі з яких могли б поміститися на волосині людини. Їх унікальний розмір і структура надають їм надзвичайних властивостей порівняно з традиційними сипучими матеріалами. Вони можуть бути міцнішими за сталь, але легшими за пластик, ефективно проводити електрику з мінімальним опором, ефективно передавати тепло і навіть виявляти незвичайні квантові ефекти.
Ці характеристики зробили нанотрубки дуже затребуваними будівельними блоками для передових технологій. Однак попередні зусилля здебільшого були зосереджені на створенні нанотрубок з вуглецю (напівпровідник або напівметал) і нітриду бору (ізоляція). Виготовлення металевих нанотрубок, які поводяться по-різному на атомному рівні, виявилося значно складнішим.
Металеві нанотрубки мають величезний потенціал завдяки своїй здатності проявляти надпровідні властивості — дозволяючи електриці протікати з нульовим опором — і магнітні властивості. «Ці оболонки, в принципі, можуть демонструвати такі явища, як надпровідність і магнетизм, які неможливі в ізоляційних або напівпровідникових версіях», — пояснює Славка В. Роткін, професор інженерних і механічних наук і провідний дослідник Університету штату Пенсільванія. «Попередні спроби з вуглецевими нанотрубками не досягли цих властивостей через недостатню щільність електронів».
Команда зосередилася на дисульфіді ніобію, металі, відомому своєю надпровідністю в масовій формі. Їм вдалося видобути цей метал у неймовірно тонкі трубки — мільярдні частки метра в діаметрі — обернувши його навколо шаблонів, виготовлених із нанотрубок вуглецю та нітриду бору.
Цей процес формування виявився ключовим проривом: дисульфід ніобію зазвичай віддає перевагу формуванню плоских пластин.
Несподіваним рішенням стало мікроскопічне додавання кухонної солі в точку зростання процесу. «У певному сенсі це було схоже на алхімію», — каже Роткін. «Ви додаєте цей крихітний інгредієнт, і раптом реакція змінюється. Без солі дисульфід ніобію стає плоским; з нею він огортає нанотрубку та утворює необхідні оболонки».
Подальші сюрпризи виникли під час спостереження. Замість того, щоб здебільшого утворювати одностінні трубки, ці нанотрубки віддавали перевагу двошаровій структурі, як вкладені соломинки.
Роткін припускає, що ця незвичайна форма зумовлена електричною активністю між шарами. «Завдяки двом шарам електрони можуть перестрибувати з одного на інший, — пояснює він, — діючи як атомний конденсатор, який стабілізує всю структуру». Обчислювальні моделі підтверджують цю теорію.
Ця унікальна складена форма також вирішує постійну проблему під час роботи з плоскими 2D-матеріалами. Щоб створити нановолокна з цих пластин, вчені зазвичай використовують літографію, подібну до травлення візерунків на кристалах кремнію. Однак у такому мікроскопічному масштабі різання залишає нерівні краї, що погіршує властивості матеріалу.
«Якщо ви згорнете його, — зазначає Роткін, — ви отримаєте оболонку без звисаючих зв’язків. Діаметр оболонки вкаже вам, якою буде її поведінка. Нанотрубки набагато менш випадкові, ніж нановолокна, вирізані з двовимірних листів». Ця точність може зробити металеві нанотрубки безцінними для застосувань, які вимагають надійної роботи в нанорозмірі.
Хоча дослідження все ще знаходяться на ранніх стадіях, цей прототип дає нам уявлення про захоплюючі можливості. “Це попередні результати, – каже Роткін, – але вони показують, що ми можемо вирощувати металеві нанотрубки і почати розуміти їхню стабільність. Після цього ми можемо почати думати про те, як інтегрувати їх у технологію”.
Проект підкреслює силу міжнародного співробітництва. «Це не та робота, яку можна виконувати ізольовано», — підкреслює Роткін. «Для цього потрібна команда з різним досвідом, і мені пощастило бути частиною такої команди».
Майбутні дослідження можуть прокласти шлях до створення надпровідних проводів, що забезпечать швидшу електроніку, а також вивчити застосування в квантових комп’ютерах – технологіях, які покладаються на використання унікальних властивостей матеріалів у нанорозмірі.
