Вчені створили найтонший у світі металевий дріт з атомів міді та вуглецю

Дослідники NCCR MARVEL з EPFL використовували обчислювальні інструменти для пошуку нових одновимірних матеріалів, які можна було б відшаровувати від відомих тривимірних кристалів, включаючи найтонший металевий нанодрот, стабільний при 0 K, знайдений досі.

Дослідники з EPFL використовували обчислювальні інструменти для пошуку нових одновимірних матеріалів, які можна відшаровувати від відомих тривимірних кристалів. З початкового списку з понад 780 000 кристалів вони склали список з 800 1-D матеріалів, з яких вони вибрали 14 найкращих кандидатів – сполуки, які ще не були синтезовані як справжні дроти, але які моделювання показує як можливі. . Серед них металевий дріт CuC₂, прямолінійний ланцюжок, що складається з двох атомів вуглецю та одного атома міді, найтонший металевий нанодрот, стабільний при 0 K, знайдений досі.

Дослідження наноматеріалів

Дослідники з Лабораторії теорії та моделювання матеріалів EPFL використали обчислювальні методи, щоб визначити, що може бути найтоншим металевим дротом, а також кілька інших одновимірних матеріалів із властивостями, які можуть виявитися цікавими для багатьох застосувань.

Одновимірні (або 1-D) матеріали є одним із найбільш інтригуючих продуктів нанотехнологій і складаються з атомів, розташованих у формі дротів або трубок. Їх електричні, магнітні та оптичні властивості роблять їх чудовими кандидатами для застосування в різних сферах: від мікроелектроніки до біосенсорів і каталізу. Хоча вуглецеві нанотрубки є матеріалами, яким досі приділялася найбільша увага, виявилося, що їх дуже важко виробляти та контролювати, тому вчені прагнуть знайти інші сполуки, які можна було б використовувати для створення нанодротів і нанотрубок з такими ж цікавими властивостями, але легшими. витримати.

Ідентифікація 1-D структур

Тож К’яра Сіньярелла, Давіде Кампі та Нікола Марзарі вирішили використати комп’ютерне моделювання, щоб розібрати відомі тривимірні кристали, шукаючи ті, які – на основі їхніх структурних та електронних властивостей – виглядають так, ніби їх можна легко «відшаровувати», фактично відшаровуючи від них. стабільна 1-D структура. Той самий метод успішно використовувався в минулому для вивчення 2-D матеріалів, але це перше застосування до одновимірних аналогів.

Дослідники почали з колекції з понад 780 000 кристалів, взятих із різних баз даних, знайдених у літературі, і утримуваних силами Ван-дер-Ваальса, типу слабких взаємодій, які відбуваються, коли атоми знаходяться досить близько, щоб їхні електрони перекривалися. Потім вони застосували алгоритм, який враховував просторову організацію їхніх атомів, шукаючи ті, які містять дротяні структури, і підрахували, скільки енергії буде необхідно, щоб відокремити цю одновимірну структуру від решти кристала.

Відкриття найтоншого металевого дроту

«Ми спеціально шукали металеві дроти, які, як передбачається, буде важко знайти, оскільки 1-D метали, в принципі, не повинні бути достатньо стабільними, щоб дозволити відшарування», — каже Сігнарелла, який є першим автором статті.

Зрештою, вони склали список із 800 1-D матеріалів, з яких вони вибрали 14 найкращих кандидатів – сполуки, які ще не були синтезовані як справжні дроти, але які моделювання показує як здійсненні. Потім вони приступили до більш детального обчислення їхніх властивостей, щоб перевірити, наскільки вони будуть стабільними та якої електронної поведінки від них слід очікувати.

Проривні відкриття в дослідженні нанодротів

Найцікавішими виділялися чотири матеріали – два метали та два напівметали. Серед них металевий дріт CuC ₂ , прямолінійний ланцюжок, що складається з двох атомів вуглецю та одного атома міді, найтонший металевий нанодрот, стабільний при 0 K, знайдений досі. «Це справді цікаво, тому що ви не очікуєте, що справжня нитка атомів уздовж однієї лінії буде стабільною в металевій фазі», — говорить Сіньярелла. Вчені виявили, що його можна відшарувати з трьох різних батьківських кристалів, усі відомих з експериментів (NaCuC₂, KCuC₂ і RbCuC₂). Для вилучення з них потрібно мало енергії, а його ланцюг можна згинати, зберігаючи його металеві властивості, що зробило б його цікавим для гнучкої електроніки.

Інші цікаві матеріали, знайдені в дослідженні, опублікованому в ACS Nano, включають напівметал Sb₂Te₂, який завдяки своїм властивостям може дозволити досліджувати екзотичний стан матерії, передбачений 50 років тому, але ніколи не спостерігався, який називається екситонними ізоляторами. , один із тих рідкісних випадків, коли квантові явища стають видимими в макроскопічному масштабі. Далі є Ag₂Se₂, інший напівметал, і TaSe₃, добре відома сполука, яка є єдиною, яка вже була відшарована в експериментах як нанодрот, і яку вчені використовували як еталон.

Наслідки та майбутні напрямки досліджень

Що стосується майбутнього, Сігнарелла пояснює, що група хоче об’єднатися з експериментаторами, щоб фактично синтезувати матеріали, продовжуючи обчислювальні дослідження, щоб побачити, як вони транспортують електричні заряди та як вони поводяться при різних температурах. Обидві речі будуть фундаментальними для розуміння того, як вони працюватимуть у реальних програмах.