Вакуумная камера, где при помощи рентгеновской спектроскопии измеряют свойства материалов – крохотных квадратиков разных цветов, закреплённых на медном держателе
В последние годы устройства, подключённые к интернету, вышли на множество новых рубежей – на запястья, в холодильники, дверные звонки и автомобили. Однако некоторые исследователи считают, что «интернет вещей» пока не слишком сильно развит.
«Что, если бы мы могли встраивать электронику куда угодно, — сказал недавно Томас Палациос, электротехник из Массачусетского технологического института. – Что, если бы мы могли получать энергию из солнечных панелей, встроенных в шоссе, а в туннели и мосты могли встраивать датчики нагрузки, чтобы отслеживать состояние бетона? Что, если бы мы могли, посмотрев на улицу, увидеть на стекле прогноз погоды? Или встроить в пиджак электронику, отслеживающую здоровье человека?»
В январе 2019 Палациос с коллегами опубликовал в журнале Nature работу, описывающую изобретение, способное немного приблизить это будущее: антенну, способную поглощать из окружающего пространства, всё сильнее заполняющие его сигналы Wi-Fi, Bluetooth и сотовых телефонов, и эффективно превращать их в пригодную для использования электроэнергию.
Ключом к этой технологии служит многообещающий материал: сульфид молибдена, MoS2, уложенный плоским слоем толщиной всего в три атома. В инженерном мире ничего тоньше сделать практически невозможно.
А такая малая толщина – штука полезная. К примеру, слем MoS2 можно покрыть поверхность стола, превратив её в зарядку для ноутбука, не требующую проводов.
С точки зрения исследователей двумерные материалы станут опорой «интернета всего». Ими будут «красить» мосты и делать из них датчики, следящие за нагрузкой и трещинами. Их будут накладывать на окна прозрачным слоем, который будет становиться видимым только при показе информации. И если команда добьётся успеха в создании устсройства для поглощения радиоволн, оно сможет питать эту вездесущую электронику. Будущее всё больше выглядит плоским.
«Интерес к этой теме растёт экспоненциально, — сказал Джефф Урбан, исследователь двумерных материалов из Молекулярной фабрики при Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Калифорнии. – По-другому и не скажешь».
Томас Палациос считает, что будущее электроники заключено в плоских поверхностях
Инженеры из MIT создали крохотные электронные схемы из графена, двумерного вида углерода
Палациос с пузырьком, содержащим несколько тысяч микроэлектронных графеновых схем
Юйсюань Лин, исследователь из лаборатории Палациоса, готовит оборудование к работе с двумерными схемами
Плоские схемы открывают все двери
Мода на двумерную химию началась в 2004 году, когда двое исследователей из Манчестерского института использовали клейкую ленту, чтобы отслаивать от кусочков графита углеродную плёнку толщиной в один атом, получая таким способом графен. Графен по составу идентичен графиту и алмазу, однако его малая толщина наделяет его очень особыми свойствами: он гибкий, прозрачный, чрезвычайно сильный и исключительно хорошо проводит ток и электричество.
Исследователи сразу же начали делать с его помощью всякие новые и улучшенные гаджеты. Несколько компаний уже выпустило наушники, у которых диафрагма – вибрирующая мембрана, воспроизводящая звук в аудиоустройствах – состоит из графена. Некоторые производители красок добавляют графен в свои формулы, чтобы покрытие держалось дольше. В октябре Huawei представила большой и мощный телефон Mate 20 X, использующий графен для охлаждения процессора. Samsung использовала графен для разработки аккумулятора с ускоренной зарядкой, и он может появиться в телефонах в ближайшем будущем.
Урбан работает с двумерными материалами для улучшения свойств топливных ячеек, одного из вариантов «чистого» топлива для «экологичного» транспорта. Большая часть топливных ячеек генерирует электричество из водорода, но даже при большом давлении водород занимает в несколько раз больше места, чем сравнимый по содержанию энергии бензин, в результате чего водород становится непрактично использовать в автомобилях.
Вместо этого Урбан внедряет атомы водорода в твёрдые материалы, плотность которых многократно превышает плотность газов. В марте они с коллегами объявили о создании нового типа хранилища: крохотных кристаллов магния, обёрнутых в узкие полоски т.н. графеновых нанолент. Они обнаружили, что хранящийся таким способом водород даёт почти столько же энергии, сколько бензин аналогичного объёма, а весит гораздо меньше.
Урбан сравнил этот процесс с выпеканием печенья с шоколадной крошкой – роль которой выполняет магний, удерживающий водород. «Нам нужно печенье, содержащее как можно больше шоколадных крошек», — сказал он, и из графеновых нанолент получается отличное тесто для печенья. Наноленты также помогают водороду быстро входить и выходить из кристаллов магния, удерживая снаружи кислород, сражающийся с водородом за место внутри кристаллов.
Урбан заглядывает в мир сверхтонких материалов в лаборатории Advanced Light Source, расположенной под куполом, из окон которого открывается панорамный вид на город Сан-Франциско и залив. Тут электроны, разогнанные почти до скорости света, генерируют мощные рентгеновские лучи, которые можно использовать для тонкого зондирования атомной структуры материалов.
В ALS Урбан с коллегами разобрались, как именно графен оборачивается вокруг магния и крепится к нему. Эта связь двух материалов гарантирует стабильность композитного материала на длительных промежутках времени – это важное свойство для использования соединения в реальных условиях.
Лаборатория Advanced Light Source
Джефф Урбан, исследователь двумерных материалов, в Молекулярной фабрике при Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Калифорнии
Экспериментальные топливные ячейки помогают измерять свойства сверхтонких материалов в различных условиях (при воздействии газа, жидкостей, солнечного света или химикатов) при помощи рентгеновской спектроскопии, использующей мягкое рентгеновское излучение
Специалист по излучению, И-Шэн Лю, один из членов команды Урбана, использует контроллер для настройки расположения пробы материала, которую будут облучать рентгеном
Другие исследователи складывают сверхтонкие слои материалов в стопки, получая трёхмерные блоки, свойства которых отличаются как от двумерных, так и от обычных трёхмерных материалов.
Квабена Бедьяко, химик из Калифорнийского университета в Беркли, опубликовала в прошлом году в журнале Nature исследование с описанием того, как они с коллегами располагали ионы лития между множеством слоёв двумерных материалов, включая графен.
«Начали мы с кусочка хлеба, намазали его майонезом, положили его на сыр, а потом на ветчину, — сказала она. – Повторять можно сколько угодно раз, и получится сэндвич».
Меняя слои стопки, исследователи смогли тонко подстраивать процесс хранения лития, и это может привести к созданию новых аккумуляторных батарей высокой ёмкости для электронных устройств.
Синин Цзан, кандидат наук по материаловедению из MIT, недавно обнаружила удивительно простой способ наслоения двумерных материалов друг на друга при помощи желатина – продукта, придающего мармеладу и маршмэллоу их структуру. Они с коллегами скомбинировали желатин, ионы металла и воду. Желатин сформировал многослойную структуру (как обычно происходит при образовании желе), что придало слоистую структуру и ионам металла. Часть углерода в желатине среагировала с металлом, произведя двумерные листочки карбида металла; они действовали как катализаторы, помогая разделять воду на кислород и водород – а этот процесс можно использовать в топливных ячейках для генерации электричества.
«Не могу сказать, что технология была грубой, поскольку если подумать, она в итоге вышла довольно элегантной, — сказал Нэйт Хохман, раньше работавший в Молекулярной фабрике, и один из авторов работы. – Всё вышло на стыке высоких и низких технологий».
Делаем материалы тоньше
Если где двумерные материалы и процветают, так это в Сингапуре, в лаборатории Лю Чжэня, в Наньянском технологическом университете. Сингапур старается стать «городом-садом», и эта крохотная страна активно заполняет свою территорию зеленью – включая и университет, где сады рассовали по всем уголкам его современных зданий.
Чжэн считает своё исследование разновидностью способа выращивания растений. «Я садовник, — сказал он. – У меня есть двумерный сад с самыми разными цветами. И все они прекрасны».
В прошлом году Чжэн с коллегами значительно расширили свой сад, создав десятки новых двумерных материалов из класса комбинированных материалов под названием халькогениды переходных металлов (transition metal chalcogenides, T.M.C.). Ключевым открытием стало применение столовой соли для понижения температуры плавления металлов; в итоге стало возможным испарять металл так, чтобы он осаждался в виде тонких плёнок.
В лаборатории Лю Чжэня в Наньянском технологическом университете слои двумерных материалов располагают на кремниевых подложках и хранят в контейнерах
Наньянский технологический университет в Сингапуре
В лаборатории Чжэня химический пар осаждается двумерными слоями на кремниевых подложках в кварцевых трубках
Приборы для тщательного контроля и отслеживания потока газов, идущих в кварцевые трубки
«Однажды мой студент сказал мне: Я могу делать T.M.C. при помощи соли, — сказал Чжэн. – Я был удивлён. Это много лет было моей мечтой».
Одна из полок в заставленной предметами лаборатории Чжэня забита прозрачными герметичными контейнерами; там хранятся кремниевые подложки с отложениями двумерных материалов. Часто плёнки образуют видимый треугольник или шестиугольник, сообразно геометрической структуре кристаллов материала.
После размещения плёнок команда Чжэня переходит в соседнюю лабораторию, чтобы тщательно изучить получившиеся структуры. Большую часть комнаты занимает просвечивающий электронный микроскоп четырёхметровой высоты и весом в полторы тонны – огромное устройство для рассматривания отдельных атомов.
Многие T.M.C., включая MoS2 Палациоса, поглощающий радиоволны, потенциально применимы в различных промышленных задачах. Двумерный селенид платины из сингапурской лаборатории может послужить изготовлению более дешёвых топливных ячеек, в которых обычно используется платина, отделяющая протон атома водорода от электрона. Переход на двумерный селенид платины мог бы уменьшить используемое количество платины на 99%, сказал Чжэн. Наньянский технологический университет уже обсуждает с производителями вопросы коммерциализации технологии. Пока что будущее ещё не совсем двумерное, но уже близко к этому.
«Мне видится огромный коммерческий потенциал данного материала, — сказал Чжэн. – Мы можем серьёзно повлиять на рынок».
Гибкое термоэлектрическое устройство Урбана из двумерных нанолистов углерода. Термоэлектрические устройства забирают энергию из окружающей среды и превращают её в полезную электрическую.
