Фото: ACS Nano (2024 г.). DOI: 10.1021/acsnano.3c12802

Одномерные (или одномерные) материалы являются одним из наиболее интересных продуктов нанотехнологий и состоят из атомов, выстроенных в форме проводов или трубок. Их электрические, магнитные и оптические свойства делают их отличными кандидатами для применения в самых разных областях: от микроэлектроники до биосенсоров и катализа.

Хотя углеродные нанотрубки являются материалами, которым до сих пор уделялось наибольшее внимание, их оказалось очень сложно производить и контролировать, поэтому ученые стремятся найти другие соединения, которые можно было бы использовать для создания нанопроволок и нанотрубок с не менее интересными свойствами, но более простыми в использовании.

Итак, Кьяра Синьярелла, Давиде Кампи и Никола Марзари решили использовать компьютерное моделирование для анализа известных трехмерных кристаллов в поисках тех, которые, исходя из их структурных и электронных свойств, выглядят так, будто их можно легко «расслоить», по сути, отслаивая от них, представляют собой стабильную одномерную структуру. Тот же метод успешно использовался в прошлом для изучения 2D-материалов, но это первое применение к их 1D-аналогам.

Исследователи начали с коллекции из более чем 780 000 кристаллов, взятых из различных баз данных, найденных в литературе, и скрепленных силами Ван-дер-Ваальса — своего рода слабыми взаимодействиями, которые происходят, когда атомы находятся достаточно близко, чтобы их электроны перекрывались. Затем они применили алгоритм, который рассматривал пространственную организацию их атомов в поисках тех, что включают в себя проволочные структуры, и рассчитали, сколько энергии потребуется, чтобы отделить эту одномерную структуру от остальной части кристалла.

«Мы специально искали металлические проволоки, которые, как предполагалось, будет трудно найти, поскольку одномерные металлы в принципе не должны быть достаточно стабильными, чтобы обеспечить отслаивание», — говорит Сигнарелла, первый автор статьи.

В конце концов они составили список из 800 одномерных материалов, из которых выбрали 14 лучших кандидатов — соединений (еще не были синтезированы в качестве реальных проводов, но моделирование показало их осуществимость). Затем они приступили к более детальному расчету их свойств, чтобы проверить, насколько они стабильны и какого электронного поведения от них следует ожидать.

Наиболее интересными оказались четыре материала — два металла и два полуметалла. Среди них металлическая проволока CuC₂, прямая цепочка, состоящая из двух атомов углерода и одного атома меди, самая тонкая металлическая нанопроволока, стабильная при 0 К, обнаруженная на сегодняшний день.

«Это действительно интересно, потому что нельзя ожидать, что реальная цепочка атомов вдоль одной линии будет стабильной в металлической фазе», — говорит Сигнарелла. Ученые обнаружили, что его можно отделить от трех разных исходных кристаллов, известных из экспериментов (NaCuC₂, KCuC₂ и RbCuC₂). Для извлечения из них требуется мало энергии, а его цепь можно сгибать, сохраняя при этом металлические свойства, что делает его интересным для гибкой электроники.

Другие интересные материалы, обнаруженные в исследовании, опубликованном в ACS Nano, включают полуметалл Sb2Te₂, который благодаря своим свойствам может позволить изучить экзотическое состояние вещества, предсказанное 50 лет назад, но никогда не наблюдавшееся, называемое экситонические изоляторы — один из тех редких случаев, когда квантовые явления становятся видимыми на макроскопическом уровне. Еще есть Ag₂Se₂ , еще один полуметалл, и TaSe₃ , хорошо известное соединение, которое является единственным, которое уже расслаивалось в экспериментах как нанопроволока и которое ученые использовали в качестве эталона.

Что касается будущего, Синьярелла объясняет, что группа хочет объединиться с экспериментаторами для фактического синтеза материалов, продолжая при этом вычислительные исследования, чтобы увидеть, как они переносят электрические заряды и как они ведут себя при различных температурах. Обе вещи будут иметь фундаментальное значение для понимания того, как они будут работать в реальных приложениях.