Графен создаст супертонкие жидкостные пленки

22 июня 2018



Команда физиков из Университета Вермонта разработала радикально новый способ нанесения жидких сред на поверхности. Их исследование поможет создавать пленки жидкости такими тонкими, какими никому до этого не удавалось их сделать. Разработанная ими методика позволит спроектировать новый класс поверхностных покрытий и смазочных материалов. Это могут быть покрытия, технические масла и смазки толщиной всего в несколько атомов.

В вакууме подвешен лист графена толщиной в один атом (коричневая сетка на рисунке) для создания жидкой пленки (атомы изображены синим), которая перестает расти при толщине от 3 до 50 нанометров. Исследователи из Университета Вермонта, сделавшие открытие, доказали, что можно контролировать количество атомов в ультратонкой пленке путем растяжения графена, легирования его другими атомами или приближения слабого электрического поля.

«Мы узнали, что именно контролирует толщину ультратонких пленок, выращенных на графене», — говорит Сангита Сенгупта, докторант Вермонтского университета и ведущий автор данного исследования. «И теперь у нас есть понимание того, какие условия изменят количество слоев атомов в различных жидкостях — это как найти ручку управления, поворачивая которую, вы получаете нужный эффект». Результаты исследования были опубликованы 8 июня 2018 года в журнале «Physical Review Letters».

Чтобы понять эту новую физику, представьте, что происходит, когда дождь падает на ваш новый iPhone: он формирует мельчайшие бусинки воды на экране. Их легко стряхнуть. Теперь представьте свою ванную комнату после долгого принятия душа: все зеркало может быть покрыто тонким слоем воды. «Это два крайних примера физики смачивания», — говорит физик Университета Вермонта Адриан Дель Маэстро, соавтор нового исследования. «Если взаимодействие внутри жидкости сильнее, чем между жидкостью и поверхностью, то атомы жидкости склеиваются друг с другом, образуя отдельные капельки. В противном случае сильное натяжение поверхности вызывает распространение жидкости, образуя пленку».

Более 50 лет назад физики предположили, что существует третий вариант — «критическое смачивание» — странное явление, при котором атомы жидкости начинают образовывать пленку на поверхности, которая затем, будучи толщиной всего лишь в несколько атомов, перестает увеличиваться. Эти ученые в 1950-х годах, включая знаменитого советского физика Евгения Лифшица, не были уверены, что критическое смачивание может быть реальным процессом, и они, разумеется, не думали, что когда-либо его можно будет воспроизвести в лабораторных условиях.

Затем, в 2010 году, два российских ученых получили Нобелевскую премию по физике за создание необычной формы углерода, названной графеном. Это пористый лист углерода толщиной всего в один атом. Графен — самый прочный материал в мире, который, к тому же, обладает множеством других необычных качеств, которые с моменте его создания тщательно изучаются различными учеными.

«Графен оказался идеальной поверхностью для проверки критического смачивания», — говорит Дель Маэстро. Он и его команда из Вермонта математически доказала, что критическое смачивание реально. Ученые исследовали, как три легких газа (водород, гелий и азот) ведут себя в присутствие графена. Они подсчитали, что в вакууме и при других условиях жидкий слой этих газов начнет формироваться на листе графена толщиной в один атом. Но потом пленка, когда «она станет толщиной десять или двадцать атомов» перестанет расти, — говорит Валерий Котов, эксперт по графену в отделе физики Университета Вермонта и старший автор исследования. Объяснить это явление может квантовая механика. Нейтральные атомы или молекулы, такие например, как легкие газы, изучаемые командой Университете Вермонта, не имеет общего электрического заряда. Но электроны в них постоянно кружат далеко от ядра ​​(понятно, что «далеко» только в масштабах электрона), образуя одномоментные дисбалансы то с одной стороны атома, то с другой. Эти сдвиги в электронной плотности приводят к созданию одной из самых распространенных, но слабых сил во Вселенной: силы Ван-дер-Ваальса. Притяжение между атомами, создаваемое ею, распространяется только на очень короткое расстояние.

Из-за необычной, совершенно плоской геометрии графена нет электростатического заряда или химической связи для удерживания жидкости, и на слабую ван-дер-ваальсовскую силу возлагается выполнение всей тяжести увеличения толщины пленки. Именно поэтому жидкость, прикрепленная к графену, перестает привлекать дополнительные атомы из пара, когда пленка выросла всего на несколько атомов от поверхности. Для сравнения, даже самый тонкий слой воды на вашем зеркале в ванной комнате, который образован многими гораздо более мощными силами, чем только квантовые эффекты силы Ван-дер-Ваальса, будет «в районе 109 атомов толщиной», говорит Дель Маэстро, а это 1 000 000 000 атомов.

Создание поверхности, на которой можно наблюдать столь ​​слабую силу, считалось очень сложной задачей. Но растущий интерес науки к графену позволил ученым Вермондского университета прийти к выводу, что критическое смачивание, по-видимому, является универсальным явлением в создаваемых сейчас многочисленных формах графена, а также в растущем семействе других двумерных материалов. Модели, разработанные учеными показывают, что можно манипулировать подвешенным листом графена в вакууме (см. рисунок) для создания жидкой пленки (атомы на рисунки изображены синим цветом), толщина которой перестанет увеличиваться в интервале от 50 нанометров до трех нанометров. «Важно то, что мы можем контролировать эту толщину: путем растяжения графена, легирования его другими атомами или посредством приближения к нему слабого электрического поля», — говорит Сенгупта. То есть исследователи имеют доказательства того, что число атомов в ультратонкой пленке можно программировать.

Механическая регулировка графена может позволить изменять толщину жидкостной пленки в реальном времени. Это похоже на поворот некой «квантовой ручки» снаружи машины размером с атом для изменения покрытия поверхности путем перемещения частей внутри этого «устройства», говорит Натан Николс, еще один ученый-докторант университета, который работал над новым исследованием. «Я начинаю называть то, что я делаю диэлектрической инженерией», — говорит Сенгупта. В настоящее время эта команда теоретиков-физиков ищет экспериментальных физиков, чтобы проверить свое открытие в лаборатории. Большая часть первоначальных перспектив графена как промышленного продукта еще не реализовано. Отчасти причина этого кроется в том, что многие из его особых свойств, например, то, что он является замечательно эффективным проводником, пропадают, когда на него налипают толстые слои других материалов. Но, контролируя критическое смачивание, инженеры могут создавать по требованию наноразмерные покрытия, которые не будут устранять желаемые свойства графена. Это открытие обеспечит смазку и защиту «электромобилей и дисплеев следующего поколения», говорит Адриан Дель Маэстро.