ТАСС, 11 ноября. Японские ученые разработали методику, позволяющую "печатать" нанолисты графена произвольной формы и размеров на поверхности металла. Для этого на него нужно наносить смесь из ароматических углеводородов и обрабатывать их иглой атомно-силового микроскопа. Результаты работы опубликовал научный журнал Nano Letters.
"Мы выяснили, что металлическая игла атомно-силового микроскопа может разрушать связи между атомами водорода и углерода в органических веществах. Учитывая небольшие размеры иглы, это позволяет очень точечно уничтожать их, не нагревая материал и не тратя на это много энергии. Это позволяет изготовлять компоненты из нанографена с очень высоким уровнем контроля", – рассказал один из авторов исследования, доцент Токийского университета Акитоси Сиотари.
Графен представляет собой одиночный слой атомов углерода, которые соединены между собой структурой химических связей, напоминающих структуру пчелиных сот. За получение и изучение первых образцов графена присудили Нобелевскую премию по физике 2010 года – награду получили выходцы из России Константин Новоселов и Андрей Гейм.
Благодаря уникальным физическим свойствам графен можно использовать как основУ для светодиодов, сенсорных дисплеев, микрочипов и других высокотехнологичных устройств. Также его можно применять в качестве сырья для высокопрочных материалов, смазок и других промышленных продуктов.
Сиотари и его коллеги отмечают, что одна из главных проблем при использовании графена заключается в том, что процессом роста листов этого двумерного материала, а также их размерами и формой, крайне тяжело управлять. Это заставляет ученых и технологов изготовлять различные электронные приборы на базе нанолистов графена в фактически "ручном" режиме, что пока не позволяет ему широко проникнуть в быт и промышленность.
Японские ученые нашли простое решение для этой проблемы, наблюдая за тем, как молекулы различных циклических ароматических углеводородов присоединялись к поверхности листов из меди, изначально нагретой до 156 °С, а затем охлажденной до температуры, близкой к абсолютному нулю.
Микроскоп-"катализатор"
За этим процессом физики пытались наблюдать, используя атомно-силовой микроскоп. Он представляет собой сверхтонкую иглу, через которую пропускается ток. Она присоединена к упругой пластинке, которая особым образом вибрирует при движении щупа микроскопа над поверхностью материала, меняя характер этих колебаний в зависимости от того, какой атом находится под иглой.
Практически сразу после создания подобного прибора в середине 1980-х годов физики обнаружили, что его можно использовать не только для наблюдений за микромиром, но и для манипуляций положением атомов, притягивая их к кончику жала или прикрепляя новые атомы к изучаемой поверхности, пропуская через жало импульсы тока определенной силы.
Подобный подход позволяет собирать произвольные наноструктуры из атомов, однако скорость их подготовки остается крайне медленной. Сиотари и его коллеги случайно обнаружили, что это не требуется для превращения циклических ароматических углеводородов в графен.
Наблюдая за присоединением этих молекул к медной подложке, японские исследователи обнаружили, что атомы водорода начали отщепляться от них сами по себе, когда игла микроскопа просто приближалась к слою подобных веществ. Как предполагают исследователи, ее движение вызывало серию химических реакций между подложкой и присоединенной к ней органикой, в результате которых атомы водорода отщеплялись от молекул и прикреплялись к поверхности иглы микроскопа.
Иными словами, игла микроскопа выступала в качестве своеобразного "катализатора" процесса трансформации циклических углеводородов в графен. Это позволяет использовать атомно-силовые микроскопы и более простые устройства с похожими свойствами для быстрой и очень точной "печати" наночастиц графена на поверхности различных электронных чипов и прочих приборов, где необходимы графеновые компоненты.
"Я предполагаю, что наше открытие может стать основой для создания методик "выращивания" не только графена, но и самых разных наноструктур с заданными свойствами. Атомно-силовые микроскопы дают нам уникальную возможность одновременно видеть, контролировать и манипулировать сложными структурами в столь малых масштабах", – подытожил Сиотари.