Неожиданные свойства привычного углерода

кальцит углерод применение. Углерод — Википедия. История. Углерод в виде древесного угля применялся в древности для

More Происхождение названияХимический СоставКристаллографическая ХарактеристикаФизические свойстваХимические свойстваПроисхождение и Нахождениеместорождения КальцитаКальцит. Практическое ПрименениеФизические Методы ИсследованияКристаллооптические свойства в тонких препаратахНазвание происходит от греческого слова, означающего уменьшение порошка при нагревании и относившегося к обожженной извести. Латинское «кальк» — известьСодержание 1. Химический состав 2. Разновидности 3. Кристаллографическая характеристика 4. Форма нахождения в природе 5. Физические свойства 6. Химические свойства 7. Диагностические признаки 8. Про在natural-museum上查看更多信息

Доломит. Свойства доломита. Применение в ДОЛОМИТ, минерал и порода, названные в честь французского минералога и химика Д.Доломьё (17501801).Минерал Доломит природный карбонат кальция и магния, CaMg(CO 3) 2.Цвет белый, серый

применение полиуретановых сеток для вибросит . Применение поличастотных вибросит для регенерации Для имитации реально существующих систем очистки буровых растворов на .

гравии применение — minoasproject. Технические характеристики щебня. Если в гравии присутствуют пластинчатые , Свое применение он нашел при изготовлении .

Углерод входит в состав растений и животных (~17,5 %). В организм человека углерод поступает с пищей (в норме около 300 г в сутки). Общее содержание углерода в организме человека достигает около 21

MoreАтомная масса (молярная масса): [12,0096;

Углерод является одним из важнейших химических элементов на Земле, являясь элементом 4-й группы Периодической системы химических элементов таблицы Д.И.Менделеева с атомным номером 6. Международное название

Углерод — неметалл, химический элемент с атомным номером 6, принадлежащий главной подгруппе четвёртой группы, а также 2-му периоду таблицы Менделеева.

Углерод (лат Carboneum) С химический элемент IV группы периодической системы Менделеева: атомный номер 6, атомная масса 12,011(1) Рассмотрим строение атома углерода На наружном энергетическом уровне атома углерода

№ 6 Углерод История открытия: Углерод известен с глубокой древности. В 1778 К. Шееле, нагревая графит с селитрой, обнаружил, что при этом, как и при нагревании угля с селитрой, выделяется углекислый газ.

Углерод известен также в виде кластерных частиц С 60, С 70, c 80, c 90, c 100 и подобных (фуллерены), а также графенов, нанотрубок и сложных структур — астраленов. Аморфный углерод (строение)

«Углерод и кремний р-элементы iva-группы» подготовил учитель химии и биологии ГУО СШ №163 г.Минска Костюкевич Юрий Михайлович

Без категории; УГЛЕРОД. СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ. Реклама

Известняк это осадочная горная порода, в составе которой значительно преобладает один минерал кальцит. Самой известной разновидностью камня является мел.

Описание слайда: Урок по химии в 10 классе: «Углерод и кремний р-элементы iva-группы» подготовил учитель химии и биологии ГУО СШ №163 г.Минска Костюкевич Юрий Михайлович

кальцит применение в строительстве. Минерал кальцит нашел широкое применение в мраморной муки в муки в строительстве

барит помола дробилка Китай. российская оборудование мельница для мелкого , барит дробилка является , используется для особо мелкого помола более чем , китай заводы .

Углерод. Его строение, свойства.. Цели урока: изучить строение, свойства применение углерода как простого вещества.

А вот в Солнечной системе почти нет, что удивительно, ведь составляющих для образования камня достаточно. У нас есть и углерод, и кремний. Но

Малахит — один из главных минералов меди, содержит 57,4% чистого металла. Кроме меди, в его состав входят кислород, углерод и вода.

кальцит углерод применение. установка кальцит; известняк применение и . кальцит дробильно. Кальцит кварцевый 20 тонн час модульная дробильная установка Галерея Прошедший. кальцит флотация оборудование. Камень

Применение технологий по производству железа прямого восстановления (или по всему миру (в том числе и в России) идет сравнительно медленно. который идеально подошел для прямого

Углерод . Применение углерода . В состоянии соединений углерод входит в состав так называемых органических веществ, т.е. множества веществ, находящихся в теле всякого растения и животного. Он находится в виде

СОДЕРЖАНИЕ: chemegeПодготовка к ЕГЭ по химии и олимпиадамХимия углеродаУглерод Карбиды Оксид углерода (ii) Оксид углерода (iv) Карбонаты и гидрокарбонаты Углерод — это. Атом углерода. Масса углеродаУглерод: формула и

Углерод — Популярная библиотека химических элементов . 17 фев 2002 . В свободном состоянии углерод известен по крайней мере в трех видах: в виде угля, графита и алмаза. Прием «христова камня

Углерод — основная составная часть каменного угля (до 99% ), бурого угля (до 72% ), а также торфа (до 57% ). Теперь вам очевидно происхождение названия углерод, т. е. «рождающий уголь». Аналогично и

Химия 9 класс § 33. Углерод. Строение и свойства атомов.Углерод С — первый элемент главной подгруппы iv группы Периодической системы Д. И. Менделеева.

Презентация для школьников 8 класса на тему «Углерод и кремний » о химических элементах из таблицы Менделеева. pptCloud — удобный каталог с возможностью скачать powerpoint презентацию бесплатно

Презентация: Углерод и Кремний Углерод и Кремний. Посмотрите онлайн или скачайте бесплатно в формате PowerPoint. Найдите презентации похожие на «Углерод и Кремний Углерод

Общие сведения. Углерод — элемент IV группы периодической системы с атомным номером 6. Международное название происходит от латинского carbo —

Здесь Вы можете скачать Конспект урока по Химии «Углерод, аллотропия углерода. Химический свойства и применение углерода» 9 класс для предмета : Химия. Данный документ поможет вам подготовить хороший и качественный

Конспект урока по Химии «Углерод, аллотропия углерода. Химический свойства и применение углерода» 9 класс

Без категории; Конспект урока по теме: Применение углерода.» Реклама

Материалы, которых не ждали

Сегодня мы, совместно с НИТУ «МИСиС», начинаем спецпроект, посвященный материаловедению.

Эта наука изучает свойства различных материалов, ищет в них закономерности и зависимости, а также ставит перед собой амбициозную цель — создавать новые материалы с заранее известными свойствами.

Иногда такие исследования приводят к совершенно неожиданным открытиям. В нашем первом тексте мы расскажем четыре истории о материалах, появления которых никто не ждал: о квазикристаллах, тефлоне, сверхпроводниках и графене.

Материал, которого не может быть

В апреле
1982 году Даниэль Шехтман, тогда еще сотрудник Национального института
стандартов и технологий (США), изучал свойства сплава алюминия и марганца.
Материаловед резко охлаждал расплав и изучал упорядочение атомов в получавшемся
материале.

Традиционно для этого используется рентгеновское излучение, а также пучки электронов и нейтронов. Пучок излучения рассеивается на кристаллической структуре вещества как на дифракционной
решетке.

Если на его пути поместить монокристалл, то на детекторе (или
специальной пластине) возникнет симметричная картина из ярких точек, по
положению которых можно определить расположение атомов в веществе.

Электронная дифракция на «традиционном» кристалле оксида тантала

Wikimedia Commons

Симметрия
этой картины связана с симметрией расположения атомов в веществе. В частности,
это касается осей симметрии. Порядок оси симметрии означает, сколько раз объект
совместится сам с собой при повороте вокруг нее на 360 градусов.

Здесь следует
вспомнить, что каждый кристалл — строго периодичный набор абсолютно одинаковых ячеек,
повторяющихся практически до бесконечности вдоль трех основных его осей. Это накладывает
фундаментальное ограничение на порядок осей симметрии в кристалле: он может
быть равен только двум, трем, четырем и шести.

Связано это с тем, что
квадратами, правильными треугольниками и шестиугольниками можно замостить
плоскость без пробелов, а правильными пятиугольниками — никак нельзя.

Именно
пятиугольник (а точнее, правильный десятиугольник) увидел Шехтман на картине электронной дифракции. Это можно было назвать страшным сном кристаллографа,
полностью переворачивающим представления о том, как может быть устроено
вещество.

Когда материаловед рассказал о своем открытии, коллеги его осмеяли,
предположив, что он был недостаточно аккуратен в работе с образцом.

Начальник
лаборатории посоветовал Шехтману освежить в памяти учебники
по кристаллографии, а на следующий день попросил покинуть коллектив: «Вы пятно
на моей группе».

Картина электронной дифракции квазикристалла сплава гольмия, магния и цинка

Materialscientist / Wikimedia Commons

Лишь в 1984
году Даниэлю Шехтману удалось опубликовать статью о своем открытии в PhysicalReviewLetters, рецензируемом научном журнале.

Оказалось, что обнаруженный им материал представлял собой новую форму материи.
В масштабах всего кристалла упорядочение атомов было симметричным, но при этом в кристалле не было периодичности.

Этот тип
материалов получил название квазикристаллов («почти кристаллов»).

Даже после
признания существования квазикристаллов Международным союзом кристаллографии в
1992 году, Шехтман подвергся критике со стороны Лайнуса Полинга, дважды
нобелевского лауреата. Во время доклада материаловеда Полинг заявил: «Не бывает
никаких квазикристаллов, бывают квазиученые». В 1994 году Лайнус Полинг умер, а
в 2011 году сам Даниэль Шехтман получил нобелевскую премию по химии.

Квазикристалл сплава гольмия, магния и цинка

AMES lab. / Wikimedia Commons

Микрофотография квазикристалла сплава алюминия, меди и железа

Юрий Абузин / НИТУ «МИСиС»

Сейчас
квазикристаллы только начинают находить применение.

Как рассказывает Юрий Алексеевич
Абузин, доцент кафедры металловедения
цветных металлов и золота НИТУ «МИСиС», квазикристаллы — твердые
антифрикционные (уменьшающие трение) материалы с коэффициентом трения почти как
у тефлона.

Они способны работать при температурах до 850 градусов Цельсия в
неокислительных средах и до 300 градусов в окислительных (тефлон, для
сравнения, распадается при 415 градусах вне зависимости от среды).

По словам ученого,
предпринимались даже попытки создать сковородки с антипригарным покрытием на
основе квазикристаллов. Оказалось, однако, что на них нельзя готовить соленую
пищу — под действием соли защитный слой разрушался. Однако это относится к
самой хорошо изученной системе — сплаву алюминий-медь-железо. Сейчас известно
более 240 разных квазикристаллических материалов.

Юрий Абузин — директор по
науке компании «КвазиКристаллы», занимающейся синтезом этих необычных
материалов.

По его словам, по сравнению с 1982 годом способ их получения
упростился — вместо быстрого охлаждения используются методики порошковой
металлургии.

Кстати, недавно ученый запатентовал новый способ синтеза, позволяющий
получать квазикристаллы напрямую, совместным отжигом порошков трех металлов.

Материал, который достали из баллона

История
открытия тефлона — материала, хорошо знакомого большинству по рекламе
сковородок с антипригарным покрытием, — относится к 1938 году. Главным ее
действующим лицом стал Рой Планкетт, химик американской компании DuPont, мирового гиганта химического
синтеза. Планкетт занимался поисками новых фреонов (хладонов), использовавшихся
в качестве хладагента в холодильниках.

Эти газообразные
вещества представляют собой фтор- и хлорпроизводные метана, этана и других
углеводородов.

Интерес Планкетта привлек к себе тетрафторэтилен — производная
этилена, в которой все атомы водорода заменены на атомы фтора. Специалист
хранил газ в баллоне под давлением.

В ходе одного из экспериментов Планкетт
обнаружил, что баллон словно бы опустел еще до того, как из него вышел весь
газ.

Химик решил выяснить,
что произошло, — по его расчетам и судя по массе баллона, тетрафторэтилена там
оставалось еще довольно много.

Для этого Планкетт разрезал баллон и обнаружил,
что его стенки покрыты слоем белого воскоподобного вещества, скользкого на
ощупь. Оказалось, что тетрафторэтилен, подобно обычному этилену, способен
полимеризоваться.

Железные стенки баллона выступили в роли катализатора этой
химической реакции — в результате образовался политетрафторэтилен, более
известный как тефлон.

Лезвие с тефлоновым покрытием

Zeiss

Последующие
испытания показали, что тефлон — материал с одним из самых низких коэффициентов
трения среди всех твердых веществ.

Кроме того, он практически ни с чем не
реагирует при обычных условиях, за исключением медленного разложения в
атмосфере фтора. Поэтому поначалу тефлон нашел применение в Манхеттенском
проекте.

На фабрике по обогащению урана им покрывали клапаны и заслонки в
трубах с реакционноспособным гексафторидом урана.

Уже позднее,
в 1954 году, возникла идея покрывать тефлоном сковородки и другую кухонную
утварь. Основным же современным его применением является изоляция для проводов
в компьютерной и авиационной технике.

Материал, который сняли с полки

В самом
начале XXI века сверхпроводники — материалы, способные проводить электрический ток
без потерь, — были уже хорошо известны и даже применялись в различных областях
техники. Однако любой сверхпроводник требовал охлаждения до очень низких
температур.

Даже известные на тот момент рекордсмены — купраты иттрия-бария —
требовали, по меньшей мере, температур жидкого азота (90 кельвинов или -183
градусов Цельсия). Вместе с тем купраты очень сложно использовать как материал
для электрического кабеля, поскольку они представляют собой хрупкие
керамические таблетки.

А для создания, к примеру, сверхпроводящего
электромагнита требовался гибкий провод.

Альтернативой
для купратов были сплавы ниобия с оловом и титаном. Из них гораздо проще
сделать гибкий провод, но критическая температура этих сплавов еще ниже, чем у
купратов, — всего 18,3 кельвина (−255 градусов Цельсия). Перед материаловедами
встал вопрос о том, насколько высокой может быть критическая температура
бинарных веществ.

В январе
2001 года группа японских материаловедов пыталась синтезировать материал, никак не связанный со
сверхпроводимостью, — гексаборид магния. Его кальциевый аналог, к удивлению
физиков, мог становиться ферромагнетиком при небольшом электронном допировании.

Вероятно, из чистого интереса, ученые попытались измерить сверхпроводящие
свойства исходного материала для синтеза — диборида магния. Как рассказывал глава группы, Дзюн Акимицу, он
сказал своему студенту «Не найдем сверхпроводник за неделю — бросаем это дело».

Срез сверхпроводящего провода с диборидом магния

Courtesy of the U.S. Department of Energy's Ames Laboratory

Измерив
свойства таблетки, материаловеды обнаружили, что в их руках рекордсмен среди
соединений двух элементов. Температура перехода в критическое состояние у
диборида магния была в два раза выше, чем у сплава ниобия с оловом — 39
кельвинов.

Это все еще требовало жидкого гелия для охлаждения, но сама
возможность существования такого материала подтолкнула физиков всего мира на
поиск новых сверхпроводников.

Правда, на сегодняшний день диборид магния
по-прежнему остается рекордсменом среди сверхпроводников, состоящих из двух
элементов (если не рассматривать сероводород под давлением в полтора миллиона
атмосфер).

Порошок диборида магния

Materialscientist / Wikimedia Commons

Интересно,
что для химиков диборид магния был абсолютно привычным веществом, черным
порошком, который стоял в килограммовых количествах на полках и использовался
для синтеза соединений бора. Его необычные свойства могли открыть еще в 1957 году, однако тогда физики «проглядели»
сверхпроводящий переход на диаграмме.

Сейчас на
основе диборида магния создают провода по технологии «порошок в трубе». В
отличие от купратных керамик, свойства диборида более однородные, что не мешает
подобным применениям.

Эти провода, наряду со сплавами ниобия, используются в
магнитно-резонансных томографах.

На использование диборида магния рассчитан
российско-итальянский токамак IGNITOR, который будет построен в подмосковном Троицке.

Материал, который нашли в мусоре

В некотором
смысле получение графена можно назвать открытием, сделанным «на кончике пера».
В начале XX века физики научились определять атомную структуру материи с помощью
рентгеновских методов.

Благодаря этим методам стало понятно, что графит, часто
используемый в роли электродов, состоит из атомарных слоев углерода,
упакованных в «пачку».

С развитием теоретической физики ученые попытались
описать все те свойства, которые они наблюдали в графите, и разумным шагом было
посмотреть на свойства отдельного фрагмента графита — атомарного слоя.

В 1947 году теоретик
Филип Уоллас попытался описать поведение электронов в графене. Физик столкнулся
с тем, что частицы должны были двигаться так, словно бы они лишены массы. Это
стало важным указанием на то, что возможные свойства атомарного слоя углерода
сильно отличаются от свойств трехмерного графита и других привычных материалов.

Хотя
предпринималось огромное количество попыток получить графен, все они были
связаны с выращиванием атомарно тонкого слоя на различных подложках.

Считалось,
что в свободном виде атомарно тонкий материал не может существовать — из-за
дефектов он обязательно сомнется или свернется в трубку.

Опровергнуть это
удалось лишь в 2004 году в Университете Манчестера группе Андрея Гейма благодаря экспериментам, в которых участвовали
обыкновенный скотч и графит.

Методика получения и поиска графена.

Физики
обратили внимание на технику подготовки подложек для электронной микроскопии. Для того чтобы создать идеально гладкую
поверхность, ученые используют скотч.

Он снимает верхние слои углерода с
графитовых подложек, оставляя под собой верхний атомарно-гладкий слой. Группа
Гейма использовала в своих экспериментах то, что оставалось на скотче после
этой процедуры.

Так как обычно этот «продукт» выбрасывался, физиков прозвали «мусорными учеными».

Ученые
многократно отклеивали слои от фрагментов графита на скотче и затем переносили
их на удобную кремниевую подложку для испытаний.

Исследуя продукт таких
операций на атомном силовом микроскопе, физики обнаружили, что среди довольно толстых
многослойных фрагментов попадались и те, толщина которых составляла всего лишь
нанометры (миллиардные доли метра).

Детальный анализ позволил авторам открытия
найти и атомарно тонкие фрагменты графита — графен.

Графен под просвечивающим электронным микроскопом. В центре изображения — дырка в одноатомном листе, по краям которой перемещаются атомы углерода

Мало того
что Гейму и Новоселову удалось получить свободный графен, физики смогли еще проверить и предсказанные свойства этого материала. Как и ожидалось, заряды в нем
оказались очень подвижными, а сам материал — механически прочным.

Физики шутят,
что в гамаке из атомарно тонкого графена (в тысячи раз тоньше, чем пищевая
полиэтиленовая пленка) спокойно может лежать не очень крупный кот.

В 2011 году
Андрей Гейм и Константин Новоселов получили Нобелевскую премию за «передовые
опыты с двумерным материалом — графеном».

Кстати, сейчас этот материал получают гораздо более технологичным методом —
химическим осаждением из газовой фазы. Это позволяет получать атомарно тонкие листы
графена сантиметровых (а иногда
метровых) размеров.

Ключевая проблема — научиться выращивать графен на
полупроводниковых подложках.

Сейчас в качестве подложки применяют металлы, хорошая
электропроводность которых мешает использовать необычные электронные свойства материала.

Микроструктура графена на подложке

Engineering at Cambridge / Flickr

По словам Павла Сорокина, ведущего научного сотрудника лаборатории
«Неорганические наноматериалы» (НИТУ «МИСиС»), одна из основных задач, стоящих
перед мировой наукой, состоит в том, чтобы понять, каковы основные области
приложения графена.

В первую очередь это электроника — материал обладает
замечательными транспортными и оптическими свойствами. Физики надеются, что с
его помощью удастся создать гибкие дисплеи.

Кроме того, графен интересен как основа
для композитных материалов благодаря своей механической прочности.

Группа Сорокина занимается теоретическим моделированием наноструктур и их
свойств. «Наша задача — это изучение материалов, предсказание их свойств и
описание их синтезов».

Так, недавно
российские ученые совместно с японскими материаловедами разработали подход к
синтезу двумерного слоя оксида меди на графене.

Этот материал был получен
впервые, а работа, посвященная его синтезу, сейчас рассматривается журналом Nanoscale.

Владимир Королёв

Графен и после него

Графен, по мнению Константина Новоселова, — лучший проводник тока и тепла с самой высокой подвижностью электронов. На исследование этого материала Европейским союзом уже было выделено несколько миллиардов евро. В перспективе графен сможет заменить многие используемые сегодня материалы и открыть совершенно новые приложения. Но фундаментальная задача, стоящая сегодня перед исследователями, — создание для каждой задачи уникального по своим характеристикам материала с нуля, выращивая его атом за атомом или слой за слоем, используя разные химические элементы. О будущем двумерных материалов мы поговорили с участниками Международного конгресса по графену, 2D-материалам и их приложениям в Сочи, организованного МФТИ.

«Почему 2D-материалы так популярны? Я думаю, что одна из причин в том, что они представляют интересное сочетание новых физических явлений и потенциальных применений.

Другая причина в том, что это совершенно новая материальная база: существуют сотни различных 2D-материалов, вы можете комбинировать их, выбирая на свое усмотрение тип материала, изменяя угол между ними», — размышляет руководитель исследовательской группы в Каталонском институте нанонаук и нанотехнологий (Испания) Клаас-Ян Тиелрой.

Двумерные материалы обладают удивительными свойствами: то, что вы можете увидеть один слой графена на просвет, само по себе уникально. Он обладает хорошей проводимостью, механически стабилен. Благодаря двумерности им очень легко управлять. Ведь чтобы управлять чем-то, нужно находиться на минимальном расстоянии от объекта.

Если у вас имеется трехмерное твердое тело, вы не сможете управлять процессами, происходящими глубоко внутри него, имея доступ к его поверхности. Двумерный материал же весь перед вами, как лист бумаги. Вы можете дотянуться до каждой его точки, можете влиять на свойства каждого атома в двумерном материале просто из-за геометрии.

«Благодаря фундаментальной работе, проделанной Геймом и Новоселовым, во время которой они получили и начали изучать графен, мы узнали, что можно модулировать плотность носителей заряда в металлической системе.

Это был шок! Потом люди поняли, что электроны в графене ведут себя словно безмассовые электроны в вакууме. Удивительный результат для теоретиков.

У ученых появилась возможность проверить многие теоретические предсказания, которые были сделаны еще в 1930-х годах», — вспоминает профессор Института материалов Арагона (Испания) Луис Мартин-Морено.

Кризис графена

Если какое-то открытие производит фурор, создает новую область науки, ученые массово начинают работать в этой сфере, объем знания быстро растет. Все самое масштабное достается первопроходцам, затем в какой-то момент волна интереса проходит.

И эта новая область начинает медленно и рутинно продвигаться вперед сотнями ученых — так же, как и многие другие. Так было со многими открытиями. Графен сейчас менее популярен, потому что физика чистого графена уже хорошо известна, фундаментальных задач осталось не очень много, и люди больше задумываются о его применении.

Если же ученые ищут новой интересной физики, привыкнув жить в плоском мире, они обращаются к другим двумерным материалам.

«Свойства однослойного графена уже достаточно хорошо изучены, хотя в этой области все еще выходят редкие интересные работы. Сейчас же интерес представляет двухслойный графен, у которого слои повернуты друг относительно друга, а также различные наноструктуры из графена.

В мировой науке на первый план выходит и большое количество других экзотических двумерных материалов. К ним относятся материалы, которые обладают интересными магнитными свойствами: ферромагнетики и антиферромагнетики.

Исследуют и оптически активные двумерные перовскиты, хотя с ними гораздо сложнее работать», — рассказывает научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ Юрий Стебунов.

Для двух слоев графена, слегка повернутых относительно друг друга, уже продемонстрирована сверхпроводимость при низкой температуре. Это интересный способ получать кристаллические структуры с новыми свойствами. Набор кристаллов в природе ограничен, так же появляется возможность создания новых кристаллов.

Алексей Кузьменко, старший научный сотрудник лаборатории оптики и роста кристаллов Университета Женевы (Швейцария), выпускник МФТИ:

— Для нас графен сам по себе — материал, который обладает таким интересным свойством, как релятивистская структура электронных уровней.

Это дает новые магнитооптические свойства, например, очень сильное магнитооптическое поглощение, которое может быть свойственно только системам типа графена.

Осталось много нерешенных вопросов, мы будем продолжать этим заниматься, пытаться делать структуры, которые состоят из графена и других соединений, делать периодические структуры — фотонные кристаллы.

Шире, чем графен

Графен привлек внимание людей к возможности получения других 2D-материалов. Теперь уже существуют двумерные сверхпроводники, полупроводники, металлические материалы, магнитные материалы, и все их можно комбинировать друг с другом.

«Свойства графена очень интересны для науки, и мы должны продолжать их исследовать. Графен открыл для нас возможность изучать другие двумерные материалы, которые также обладают весьма интересными свойствами и могут быть применены в ближайшем будущем.

В конечном итоге мы дойдем до того, что сможем изготавливать высококачественный графен и 2D-материалы и внедрим их в производство.

Думаю, будущее двумерных материалов обещает быть ярким!» — уверен профессор материаловедения Кембриджского университета (Великобритания) Маниш Чховалла.

Люди переключаются на другие соединения, и количество тех, кто занимается непосредственно графеном, уменьшается, хотя интерес к нему по-прежнему большой. Графен используется как составная часть систем из большого числа двумерных материалов, например, в гетероструктурах.

Мария Асенсио профессор Мадридского института материаловедения (ICMM) при Высшем совете по научным исследованиям Испании (CSIC):

— Меня в первую очередь интересует описание экзотических и неожиданных свойств новых низкоразмерных материалов.

На самом деле это старые материалы, но при уменьшении размерности — количества атомных слоев — мы видим, как поведение вещества резко меняется и появляются интересные свойства.

Наша цель — найти альтернативные «умные» материалы, которые смогут делать то же самое, что привычные нам кремний, углерод и другие материалы, только еще лучше, быстрее и дешевле.

Постепенно перестает представлять значительный интерес для широких масс ученых и изучение отдельных двумерных материалов. Ученые стали пытаться соединять разные 2D-материалы, что требует точного позиционирования одного слоя относительно другого. И так, слой за слоем создаются сложные структуры, напоминающие сэндвич.

Используя такие двумерные кирпичики, можно получить трехмерный материал, которого никогда не существовало в природе. Однако, помещая один слой атомов поверх другого, нужно выдерживать расстояния между атомами в разных слоях одинаковыми.

Невозможно соединить атом углерода с атомом меди, но в случае с двумерными материалами, можно поместить один материал поверх другого за счет ван-дер-ваальсовых сил, обеспечивающих притяжение между слоями атомов.

Разнообразие материалов, которые можно создать таким образом, невероятно обширно. Эта идея — революция в дизайне материалов, и именно поэтому на эту тему так много исследований. Однако работа ученого — изучение природы, поиск новых явлений. Естественно, на их основе потом можно создать технологии, но это совершенно независимый процесс.

Что дальше?

Скоро появятся одномерные кристаллы, и такой же фурор произведут они. Переход от трехмерных к двумерным кристаллам вызвал 200 тысяч научных публикаций. Сколько интересных исследований будет проводиться при переходе от двумерных материалов к одномерным, можно лишь гадать.

Одномерные материалы обладают совсем другими свойствами, да и просто непривычны для человека, в отличие от двухмерных или трехмерных. «Мы над этим уже работаем: делаем одномерные кристаллы из атомов углерода — карбины. Карбин — это просто цепочка, бусы из атомов углерода.

В вакууме они скручиваются, их очень сложно растить длинными и прямыми, но мы их стабилизируем золотыми наночастицами и уже получили первую прямую цепочку длиной в несколько десятков атомов. Эта цепочка — полупроводник, она излучает желтый или оранжевый свет, даже содержит экситоны.

Это очень интересный объект», — рассказывает директор Международного центра поляритоники университета Вестлейк в Китае, профессор университета Саутгемптона, руководитель лаборатории Оптики спина в Петербургском государственном университете и руководитель группы Квантовой поляритоники в Российском квантовом центре Алексей Кавокин.

Сложно в точности предсказать дальнейшее развитие физики двумерных, а позже и одномерных материалов.

Скорее всего это направление будет все более рутинно развиваться все большим числом ученых по всему миру, пока не приведет к каким-то удивительным приложениям.

Многие фундаментальные открытия десятилетиями ждали готовности технологий для своего применения. Время покажет. Но совершенно точно, что интерес к этой теме не будет спадать еще долго.

Кстати

При уменьшении размерности с трех до двух возникает совершенно новая физика, которая проявляет себя, например, в возникновении квантового эффекта Холла.

В одномерных системах взаимодействие между частицами — в данном случае электронами — намного сильнее, потому что в одномерном пространстве электроны, сближаясь, вынуждены взаимодействовать друг с другом. В трех измерениях или в двух это не обязательное условие.

Поэтому к одномерным системам ученые проявляют тоже очень много интереса, и есть теории, которые предсказывают крайне необычные явления в одномерных материалах.

Физики нашли отражающую аномальное поведение графена характеристику

Понимание необычного поведения графена при растяжении поможет создавать материалы с нетипичными свойствами, например гиперчувствительные сенсоры

Есть обновление от 17:41 →

Ученые объяснили нестыковки в теории «грязной» сверхповодимости

Москва. 6 апреля. INTERFAX.

RU — Группа ученых, в том числе специалисты института теоретической физики имени Ландау (ИТФ), описали универсальную характеристику, в которой «спрятано» множество уникальных свойств графена.

Знание механизмов его необычного поведения позволит ученым прицельно создавать материалы с нужным набором нетипичных свойств.

Графен – двумерный «лист» из одного слоя атомов углерода – материал, полученный Андреем Геймом и Константином Новоселовым в 2004 году.

У него оказалось множество необычных свойств, благодаря которым сегодня графен рассматривают как один из самых перспективных материалов для создания новой некремниевой эластичной электроники.

Главный интерес представляет взаимосвязь уникальных упругих свойств графена с электрическими характеристиками материала, в частности, с чрезвычайно высокой подвижностью электрических зарядов, которая может резко меняться при приложении упругих напряжений.

Физики давно пытаются найти универсальную физическую характеристику, которая наиболее полно отражала бы необычные упругие свойства графена: это позволит не только лучше использовать сам графен, но и создавать другие материалы с нужным набором необычных свойств.

Однако до недавнего времени найти такой единый параметр не удавалось. Авторы новой работы определили, какая характеристика наиболее полно отражает аномальное поведение графена и выяснили ключевые факторы, которые могут на нее влиять.

Работа ученых опубликована в журнале Physical Review B, ее препринт доступен на сайте arXiv.org.

Ключом к пониманию оказалось необычное поведение графена при растяжении. Большинство привычных нам материалов при растяжении сжимаются в поперечном направлении: типичный пример – резиновая лента. Однако около ста лет назад немецкий физик Вольдемар Войт обнаружил, что кристаллы пирита при растяжении, наоборот, становятся толще.

Такие материалы получили название ауксетиков, и в конце 1970-х ученые получили первый искусственный ауксетик. Секрет таких материалов – в необычной геометрии. В нерастянутом состоянии структурные элементы ауксетика как бы сложены. При растяжении они расправляются, увеличиваясь в размере. Примеры ауксетиков показаны на рисунке.

а) «Сложенные» элементы ауксетика при растяжении расправляются, увеличивая его поперечный размер. б) Изделия из любых материалов, сложенные по правилам миура-ори – системы складывания, позволяющей раскрыть конструкцию в одно движение, также обладают свойствами ауксетика. в) Подошва кроссовок, составленная из заходящих друг на друг треугольников, при давлении ведет себя как ауксетик.

Необычные свойства

Ауксетики обладают рядом необычных свойств, которые помогут усовершенствовать имеющиеся технологии и создавать новые. «Обычные материалы при нагревании расширяются – и это ухудшает работу приборов, создавая различные механические напряжения и помехи. Ауксетики могут, наоборот, сжиматься. Существует идея создавать при помощи ауксетиков материалы с нулевым коэффициентом расширения.

Для этого нужно соединить «классический» материал и ауксетик. При росте температуры обычная часть будет стремиться расшириться, но материал с отрицательным коэффициентом расширения не даст этого сделать», – объясняет идею один из авторов новой работы, Валентин Качоровский, ведущий научный сотрудник Физико-технического института имени Иоффе и Института теоретической физики имени Ландау.

Коэффициент Пуассона

Характеристика, определяющая материалы по их способности увеличиваться или уменьшаться в поперечном размере при растяжении, называется коэффициентом Пуассона. У ауксетиков он отрицательный, у «обычных» материалов – положительный. «Ученых давно интересовал коэффициент Пуассона графена.

Но до недавнего времени мы не знали не только его величину, но даже знак, – рассказывает Качоровский. – Довольно долго считалось, что он равен универсальному отрицательному значению -1/3.

Однако ряд недавних численных расчетов показал, что коэффициент Пуассона графена может быть как положительным так и отрицательным, причем результаты различных расчетов, на первый взгляд, полностью противоречат друг другу».

Провести эксперимент, который прямо определил бы величину этого параметра, очень сложно. Графен трудно получить изолированно: его «выращивают» на различных подложках, и их характеристики «маскируют» истинное значение коэффициента Пуассона самого графена.

А существующие образцы изолированного графена настолько малы, что к ним практически невозможно прикрепить кронштейны, которые бы позволили растянуть образцы контролируемым способом.

При этом исследователям и инженерам, разрабатывающим новые технологии, основанные на двумерных углеродных материалах, важно понимать, ауксетик графен или нет.

Дуализм графена

Авторам новой работы удалось «примирить» противоречивые результаты предыдущих расчетов и найти параметры, которые однозначно определяют коэффициент Пуассона графена.

Физики выяснили, что он не является постоянной величиной, а зависит от силы, с которой растягивается образец. «При очень большой силе графен ведет себя как обычный материал, демонстрируя положительный коэффициент Пуассона.

Однако с уменьшением приложенной силы, мы попадаем в область, при которой графен проявляет типично ауксетические свойства», – рассказывает Качоровский.

Борьба и единство волн

Ученые смогли объяснить природу такой необычной зависимости коэффициента Пуассона от растяжения. На популярных изображениях графен – двумерный «лист» из атомов углерода – обычно показывают плоским. Однако в действительности это не так и по плоскости графена бегут так называемые изгибные волны. Они стремятся перевести графен из плоского состояния в скомканное.

«По-английски это называется crumpling transition, то есть переход в скомканное состояние, – объясняет Качоровский. – Долгое время теория мембран предсказывала, что из-за этого явления двумерные кристаллы наподобие графена в принципе не могут существовать: они будут все время стремиться сжаться в комок.

Как мы видим, это предположение было ошибкой – так как по поверхности графена, помимо изгибных, бегут также обычные волны сжатия-растяжения. Нелинейное взаимодействие двух типов волн не позволяет мембране сжаться в комок.

Хотя размерность подобных кристаллов, действительно, не равна двум: из-за явления перехода в скомканное состояние она находится в промежуточном состоянии между двумя и тремя».

Конкуренция между стремлением мембраны изогнуться под воздействием обычных волн сжатия-растяжения и эффектом «разглаживания» поперечных волн за счет внешней приложенной силы приводит к тому, что коэффициент Пуассона меняет знак. Иными словами, если внешняя сила велика, аномальные ауксетические свойства подавляются и коэффициент Пуассона оказывается положительным.

Скомканность в покое

Как показали ученые, необычные свойства графена проявляются именно из-за того, что в покое он находится в подобном слегка скомканном состоянии. «В «складках» – то есть поперечных изгибных волнах – запасена дополнительная энергия, которая и приводит к появлению у графена аномальной эластичности и других необычных свойств.

Например, при нагревании графен начинает сжиматься в продольном направлении, так как все расширение «уходит» в расправление поперечных складок, – говорит Качоровский. – И универсальной характеристикой, которая определяет, как именно будет вести себя графен, оказался коэффициент Пуассона.

С его помощью можно описывать и предсказывать большое количество свойств графена и других материалов».

Режимы мембраны

В своей работе ученые объяснили, почему предыдущие исследования коэффициента Пуассона графена давали противоречивые результаты.

«Мы вывели аналитически полную систему уравнений упругого баланса листа графена. Оказывается, что существует два режима поведения графеновой мембраны: обычный, в котором все свойства графена определяются по стандартным формулам и коэффициент Пуассона оказывается положительным.

В то же время, для образцов, размер которых больше, чем так называемая длина Гинзбурга, реализуется режим аномальной упругости, в котором коэффициент Пуассона отрицателен», – рассказывает Качоровский.

Для графена длина Гинзбурга составляет от 40 до 70 ангстрем, то есть размер образцов, используемых на практике, заведомо превышает ее и в них проявляется то самое необычное ауксетичное поведение.

Объяснение этого феномена также связано с бегущими по графену волнами разного типа, которые взаимодействуют между собой очень сложным образом.

«Длина Гинзбурга характеризует масштаб, с которого этими взаимодействиями уже нельзя пренебречь и они начинают аномально «сдвигать» свойства материалов, например, не дают двумерным кристаллам сжиматься в комок», – объясняет Качоровский.

У разных материалов длина Гинзбурга разная, и это знание крайне важно для разработки новых материалов. «Часто люди создают новые материалы, не вычисляя длину Гинзбурга, а потом пытаются найти в их свойствах что-то необычное.

Но наша работа показывает, что, если длина Гинзбурга очень большая – скажем, 1 километр – никаких особенных свойств у образцов разумного размера заведомо не будет», – констатирует Качоровский.

В перспективе — гиперчувствительные сенсоры

Тот факт, что графен может растягиваться «нормально» или аномально в зависимости от приложенной силы, в перспективе поможет создавать гиперчувствительные сенсоры, например, звука.

«Звуковые волны растягивают графеновую мембрану, и в зависимости от степени растяжения у графена заметно меняется электрическое сопротивление. Расчеты показывают, что чувствительность такого сенсора может оказаться гигантской.

Кроме того, в ауксетиках скорость звука заметно выше, чем в «нормальных» материалах (при одинаковом значении других упругих констант, например, модуля Юнга). То есть, когда графен при растяжении переходит в состояние ауксетика, звук в нем распространяется очень быстро.

Это позволяет создавать сверхбыстродействующие сенсоры, которые смогут улавливать очень быструю смену колебаний», – поясняет Качоровский.

Новое свойство графена делает его подходящим для квантового компьютера

Удивительный материал графен сейчас служит объектом изучения во многих лабораториях по всему миру.

Исследователям из Массачусетского технологического института (MIT) удалось обнаружить дополнительный потенциал использования материала, состоящего из одного слоя атомов углерода, открыв неожиданные свойства, проявляемые им при определенных условиях. По мнению специалистов, эти свойства могут найти применение в квантовых вычислениях.

Как оказалось, под воздействием очень сильного магнитного поля и очень низкой температуры графен фильтрует электроны по спину — привычные нам электронные приборы этого качества лишены.

Если подать напряжение на кусочек графена при обычных условиях, по нему потечет ток.

Однако стоит приложить магнитное поле, силовые линии которого перпендикулярны плоскости графена, его поведение меняется: ток протекает только по краю кусочка, а центральная часть становится диэлектриком.

Более того, ток течет только в одном направлении, зависящем от направления силовых линий магнитного поля. Этот эффект известен как квантовый эффект Холла.

Исследователи сделали следующий шаг, приложив второе магнитное поле параллельно листу графена, и это снова изменило его поведение. Электроны получили возможность двигаться в обоих направлениях, причем электроны с положительным спином двигались в одном направлении, а с отрицательным — в противоположном.

Сегрегация электронов по спину свойственна топологическим изоляторам, но в обычных проводниках она не наблюдается. По словам ученых, им удалось создать особый вид проводника, заставив один материал вести себя как другой.

Более того, меняя магнитное поле, можно управлять обнаруженным краевым эффектом. Как утверждается, на этом принципе можно построить транзисторы и более сложные цепи, которые пока не удавалось реализовать средствами существующих материалов.

В частности, ученые видят в открытии потенциал графена применительно к созданию квантового компьютера.

Конечно, пока до практического применения эффекта далеко: он наблюдается при индукции магнитного поля 35 Тл, что примерно на порядок больше, чем в МРТ, и при температуре, которая всего на 0,3°С выше абсолютного нуля. Впрочем, ученым уже удалось выявить подобный эффект в поле с индукцией всего 1 Тл и при более высоких температурах.

Источник: MIT news