Среди безумных исследований во всем мире атомно-тонких материалов, таких как графен, существует одна область, которая ускользает от любого систематического анализа, хотя эта информация может иметь решающее значение для множества потенциальных приложений, включая опреснение, секвенирование ДНК и устройства для квантовой связи и вычислительные системы.
Эта недостающая информация связана с мельчайшими дефектами или «дырами», которые образуются в этих двумерных листах, когда некоторые атомы отсутствуют в кристаллической решетке материала.
Теперь эта проблема была решена исследователями из Массачусетского технологического института, которые составили каталог точных размеров и форм отверстий, которые, скорее всего, будут наблюдаться (в отличие от многих других, которые теоретически возможны) при удалении заданного числа атомов из атомной решетки. Результаты описаны в журнале Nature Materials в статье аспиранта Ананта Говинда Раджана, профессоров химического машиностроения Даниэля Бланкштейна и Майкла Страно и четырех других в Массачусетском технологическом институте, Lockheed Martin Space и Оксфордском университете.
«Это была давняя проблема в области графена, которую мы называем проблемой каталогизации изомеров для нанопор», — говорит Страно. Для тех, кто хочет использовать графен или аналогичные двумерные листовые материалы для таких применений, как химическое разделение или фильтрация, он говорит: «Нам просто нужно понять виды атомных дефектов, которые могут возникнуть» по сравнению с гораздо большим числом которые никогда не видели.
Например, Бланкштейн указывает, что, удалив всего восемь смежных атомов углерода из гексагональной цепочки, похожей на проволочную сетку атомов в графене, существует 66 различных возможных форм, которые может иметь получающаяся дыра. Когда количество удаленных атомов увеличивается до 12, число возможных форм возрастает до 3226, и с удалением 30 атомов существует 400 миллиардов возможностей — число, намного превосходящее любую разумную возможность моделирования и анализа. Тем не менее, только несколько таких форм действительно обнаруживаются в экспериментах, поэтому возможность предсказать, какие из них действительно существуют, может быть очень полезна для исследователей.
Описывая отсутствие информации о том, какие виды дыр могут на самом деле образовываться, Страно говорит: «Практически говоря, это привело к разрыву между тем, что вы могли бы симулировать с помощью компьютера, и тем, что вы могли фактически измерить в лаборатории». По его словам, этот новый каталог форм, которые действительно возможны, сделает поиск материалов для конкретных целей гораздо более удобным.
Возможность проведения анализа основывалась на ряде инструментов, которые ранее просто не были доступны. «Вы не могли бы решить эту проблему 10 лет назад», — говорит Страно. Но теперь, с использованием таких инструментов, как теория химических графов, точные расчеты электронной структуры и сканирующая просвечивающая электронная микроскопия с высоким разрешением , исследователи сделали снимки дефектов, показывающие точное положение отдельных атомов.
Команда называет эти дыры в решетке «антимолекулами» и описывает их в терминах формы , которая будет образована удаленными атомами . Этот подход впервые обеспечивает простую и последовательную структуру для описания всего набора этих сложных форм. Ранее, «если вы говорили об этих порах в материале, не было никакого способа определить» конкретный тип вовлеченной дыры, говорит Говинд Раджан. «Как только люди начнут создавать эти поры чаще, было бы хорошо иметь соглашение об именах», — добавляет он.
Этот новый каталог может помочь открыть множество потенциальных приложений. «Дефекты — это и хорошо, и плохо», — объясняет Страно. «Иногда вы хотите предотвратить их», потому что они ослабляют материал, но «в других случаях вы хотите создавать их и контролировать их размеры и формы», например, для фильтрации, химической обработки или секвенирования ДНК, когда только определенные молекулы могут пройти через эти отверстия. Другим приложением могут быть квантовые вычислительные или коммуникационные устройства, в которых дыры определенного размера и формы настроены на излучение фотонов света определенных цветов и уровней энергии.
Говинд Раджан говорит, что в дополнение к их влиянию на механические свойства материала, отверстия влияют также на электронные, магнитные и оптические характеристики.
«Мы считаем, что эта работа станет ценным инструментом» для исследования дефектов в двумерных материалах , предсказывает Страно, потому что она позволит исследователям сосредоточиться на многообещающих типах дефектов вместо того, чтобы разбирать бесчисленные теоретически возможные формы », которые вас это совсем не волнует, потому что они настолько невероятны, что никогда не сформируются ».
