С помощью масштабного компьютерного моделирования международная группа ученых из России, Южной Кореи и Китая выяснила, что происходит с перспективным полупроводниковым материалом, нитридом углерода, если два его атомарных слоя скрутить друг относительно друга под разными углами.
Как отмечают в Сибирском федерально университете (СФУ), это простое механическое действие в мире квантовой физики открывает дверь в новую реальность с удивительными свойствами. Именно этим занимается молодая и активно развивающаяся область науки — твистроника. Ее история началась не так давно.
В 2004 году ученые Андрей Гейм и Константин Новоселов удостоились Нобелевской премии за то, что смогли создать графен — легендарный материал, состоящий из одного слоя атомов углерода. А в 2018 году исследователи обнаружили, что если два его листа положить друг на друга под углом около 1,1 градуса, материал неожиданно становится сверхпроводником, проводящим электричество без сопротивления. Это открытие показало, что вращение слоев — мощнейший инструмент для создания новых материалов с уникальными свойствами. С тех пор ученые по всему миру начали экспериментировать с «кручением» других двумерных материалов.
Объектом внимания ученых в новом исследовании стал графитоподобный нитрид углерода, или g-C₃N₄. Уже давно известно, что он может поглощать солнечный свет и можно использовать его энергию для расщепления воды на водород и кислород в процессе, который называется фотокатализом. Полученный водород — это экологически чистое топливо будущего. Однако у g-C₃N₄ есть одна проблема: он не очень эффективно использует солнечный свет, особенно его видимую часть. Именно здесь на помощь и приходит твистроника.
Ученые решили теоретически просчитать, что произойдет, если скрутить два листа g-C₃N₄ под разными углами — 21,8°, 27,8° и 38,2°. Результаты, полученные с помощью суперкомпьютеров и квантовой теории, превзошли их ожидания. При скручивании двух атомарных слоев возникает так называемый паттерн Муара — красивая крупномасштабная рябь, похожая на разводы на воде или на то, как накладываются друг на друга две сетки. Эта рябь создает периодическую структуру, в которой атомы располагаются по-новому. Благодаря этому в местах нового узора электроны перестают свободно двигаться и «запираются» в крошечных областях, теряя энергию. Это образование так называемых плоских зон является ключевым условием для возникновения сверхпроводимости и других экзотических квантовых состояний.
Но самое важное для практики — это изменение оптических свойств. Обычный слой g-C₃N₄ поглощает в основном ультрафиолет. Скрученный же материал может улавливать гораздо больше солнечной энергии. Меняя угол, исследователи могут точно настраивать параметр, определяющий, какую часть спектра материал будет поглощать.
Это исследование — не просто игра ума, мы учимся управлять фундаментальными процессами. Оно открывает конкретные пути для создания устройств будущего. Например, суперэффективных фотокатализаторов. Также материал может стать отличным поглотителем света в тонкопленочных солнечных панелях, делая их дешевле и эффективнее. А обнаруженная локализация электронов и плоские зоны делают скрученный g-C₃N₄ кандидатом для создания элементов квантовых компьютеров
Ранее Наука Mail писала, что в Перми создали суперлегкий материал с КПД 95%.
