«Построить новый трехмерный мир»

Где-то десять лет назад о нанотехнологиях было принято говорить с придыханием — Гейм и Новосёлов получили Нобелевскую премию за графен, а российские власти настолько сильно заинтересовались этим направлением, что создали отдельную госкорпорацию. Годы прошли, хайп схлынул, но исследования никуда не делись — химики и физики продолжают увеличивать точность, с которой можно управлять структурой и свойствами материалов на наномасштабе. Мы поговорили с директором Института Наноматериалов Университета Дрекселя (США) Юрием Гогоци, который занимается исследованиями двумерных наноматериалов о том, в чем открытые им максены отличаются от графена и что вообще происходит с нанотехнологиями последние годы.

В декабре вы стали лауреатом премии Гамова. Формулировка, с которой вам ее вручали, такая: «За открытие и синтез наноматериалов с варьируемой структурой и многолетний вклад в развитие международного научного сотрудничества». Со второй половиной этой формулировки все понятно, а вот первая — немного завуалированная и довольно загадочная. Но обычно за такими расплывчатыми формулировками стоит что-то конкретное. Вы можете пояснить, что в данном случае имел в виду комитет премии?

Десять лет назад мы с моими коллегами в Дрексельском университете открыли целое новое семейство наноматериалов — максены. Это двумерные карбиды и нитриды переходных металлов. Сейчас синтезировано уже более тридцати стехиометрических структур (прим. N + 1: имеются в виду материалы состава M_aX_b, где M — переходный металл, X — углерод или азот, a и b — натуральные числа) и пара десятков твердых растворов (прим. N + 1: M'_а-yM"_yX_b, где M' и M" — разные переходные металлы, a и b — натуральные числа). По теоретическим прогнозам, возможно больше ста стехиометрических структур. Плюс неограниченное количество смешанных твердых растворов. То есть потенциально это самое большое семейство двумерных материалов, которое сейчас известно.

По многим свойствам максены уже превзошли графен. Например, у многослойных пленок [из максенов] проводимость примерно на порядок величины выше, чем у восстановленного оксида графена. Это плазмонные металлические материалы, то есть стабильные двумерные металлы. До максенов таких материалов почти не существовало, потому что большинство двумерных материалов – либо полупроводники, либо полуметаллы. Тот же графен — полупроводник, но с нулевой шириной запрещенной зоны.

Сейчас эти материалы дают возможность легко, безо всяких добавок или поверхностно активных веществ, получать из водного раствора покрытия, печатая их обычным принтером. Прямо в принтер загружают чернила из этих частиц и печатают проводящие схемы. А благодаря тому, что материалы имеют в структуре разные элементы, у них разные спектры поглощения. То есть плазмонный резонанс у них при разных длинах волн — и это можно использовать, например, для разрушения раковых клеток фототермическим эффектом с помощью, например, инфракрасных или близких к инфракрасным лазеров. Еще из таких пленок можно делать регулируемые оптические фильтры, используя электрохромный эффект. Поскольку в максенах на поверхности есть переходные металлы, они могут менять свою степень окисления. Это используется в суперконденсаторах или аккумуляторах для хранения энергии. И, опять-таки, добавим высокую электропроводность, что дает высокую скорость зарядки, потому что через них можно пропускать большой ток. И такого типа применения сейчас исследуются.

Недавно вы писали о нашей работе по электрозащитной ткани. Эта работа не очень фундаментальна в научном плане...

Да, но она интересна, потому что это довольно очевидное и при этом красивое прикладное применение.

Да. А за неделю до этого в новостях была другая наша статья — про антенны, сделанные из максена. Их можно нанести на любые поверхности, и использовать, например, для интернета вещей.

То есть эти материалы добавили очень много к миру двумерных материалов: к графену, дисульфиду молибдена, нитриду бора и другим материалам, которые сейчас начинают применять для гибкой электроники, прозрачной электроники и тому подобного.

А что подразумевается под «варьируемыми структурами»?

Максены существуют в нескольких структурах: например, М₂С, М₃С₂, М₄С₃, М₅С₄ — они включают разное количество слоёв. Это как сэндвич, в котором слои атомов переходного металла чередуются со слоями атомов азота или углерода. Слоев переходного металла может быть от двух до пяти. Последнюю на данный момент структуру — с пятью слоями — мы открыли только в 2019 году.

Мы также можем делать атомные сэндвичи, где на поверхности находится, скажем, слой атомов молибдена, внутри — слой атомов титана, а с другой стороны — опять слой молибдена. Эти слои связаны между собой либо углеродом, либо азотом, либо их смесью. Также можно делать твердые растворы — когда в поверхностном слое перемешаны атомы разных элементов.

Поэтому мы говорим о контролируемых структурах. Нанотехнологии нужны не просто для того, чтобы сделать что-то «нано», очень маленьким. Их цель — контролировать на наноуровне структуру и свойства. Вот и с максенами — когда мы строим из атомов контролируемые двумерные структуры, мы продвигаем эту идею практически до предела. У нас нет заданного небольшого набора химических составов и структур. Мы можем менять количество и порядок слоев, можем решать, какой элемент будет находиться на поверхности, а какой внутри. Мы можем смешивать разные элементы. Это открывает новые возможности, особенно с учетом современных методов моделирования материалов, работы с большими данными и так далее.

Мы ориентируемся на предсказанные структурой свойства, пытаемся синтезировать и получить необходимый набор свойств в очень широком диапазоне, чтобы их можно было менять.

А все такие двумерные наноматериалы вообще имеет смысл объединять в какую-то общую группу, или у них различий больше, чем сходств? Что-то делает их особенными именно с точки зрения их двумерности?

Химически они могут быть очень разными. Но я смотрю на эти материалы с точки зрения их формы. Что такое двумерность и чем она важна? Если отвлечься от конкретных свойств каждого двумерного материала, вы можете рассматривать их как кирпичики, из которых можно собрать стену, построить дом, сделать забор или выстелить дорожку. Именно потому что они двумерные. Они укладываются по очереди друг с другом, их можно комбинировать. Например, сначала слой металлического материала (как максен), затем слой полупроводника, а между ними изолятор. Если у нас есть в запасе масса разных двумерных материалов, мы можем строить из них совершенно новые структуры, материалы и устройства. И это, на мой взгляд, открывает возможности для переворота в технологиях.

Мы можем сделать из них электронные приборы: можем сделать антенну, электромагнитную защиту, можем сделать батарейку, суперконденсатор, сенсор давления, химический сенсор. Я уверен, что из двумерных материалов, атомарно тонких кирпичиков,  мы можем построить новый трехмерный мир.

В чем их преимущество? Эти материалы атомарно тонкие, нанометрово тонкие, поэтому все они гибкие. К тому же, в форме тонкого слоя любые материалы становятся прозрачными. Поэтому мы можем делать прозрачные дисплеи, делать одежду, в которую будут встроены сенсоры и вся электроника. Вам не придется носить с собой телефон или компьютер, а, скажем, прогноз погоды или сообщение от друзей можно будет прочитать у себя на рукаве. Доктор сможет сделать вам полный анализ без необходимости приходить к нему в кабинет. Это то, как многие себе представляют технологии будущего.

Поэтому, на мой взгляд, двумерные материалы можно выделить в отдельную группу. Нанопроволоки или нанотрубки можно использовать как волокна или какие-то добавки. Но из них невозможно построить мир. А из двумерных материалов — возможно. Раньше люди брали просто кусок какого-то материала и придавали ему определенную форму. Из камня делали каменный нож или острие копья. Потом начали выплавлять металлы или делать пластики в больших объемах. С помощью механической обработки, ковки, шлифовки, фрезерования им придавали определенную форму и изготавливали нужные устройства. Потом с помощью микротехнологий на кремний осаждали разные структуры, чтобы создавать компьютерные чипы. Сейчас все это вы можете делать из двумерных материалов. Вы можете создать компьютерный чип, потенциально гораздо дешевле, без многомиллиардных заводов. Вы можете сделать одежду или окна — практически всё, что угодно. То есть я смотрю на эти материалы как на кирпичики будущих технологий.

Вы сказали, что чтобы двумерные материалы были гибкими и прозрачными, они должны быть атомарной толщины — в несколько слоев атомов. А если мы сделаем материал толщиной не один-два нанометра, а, скажем, двадцать, то он будет работать? Или между двумя нанометрами и двадцатью есть принципиальная разница?

Очень часто разница принципиальная. Двадцать нанометров уже практически невозможно согнуть или сложитъ, потому что напряжения, которые возникают в слое, достаточно высокие. Физические свойства (цвет, спектр поглощения и другие) тоже меняются.

С другой стороны, создавать воспроизводимую контролируемую структуру, которая имела бы толщину двадцать нанометров, мы тоже пока не умеем. Почему для нас интересно показать, что максены можно сделать из пяти слоев переходного металла и четырех слоя углерода и азота (с двумя поверхностными слоями это суммарно 11 слоев атомов) — и все частицы будут иметь при этом совершенно одинаковую толщину? Потому что делать совсем тонкие материалы в один, два или три слоя атомов (как, например, однослойные графен или нитрид бора, или трехслойный дисульфид молибдена) люди на самом деле умеют довольно давно. А научиться увеличивать толщину и понять, как при этом будут меняться свойства, — это как раз интересно. И этого никто не может сделать. И такой наноматериал нужно производить граммами, килограммами, тоннами или хотя бы тысячами одинаковых частиц.

Интересно, наверно, двигаться и дальше — к большей толщине. Но она все равно должна быть контролируемая. У материала определенной толщины должны быть определенные свойства, которые отличают его, скажем, от других кирпичиков.

А не могли бы вы рассказать про методы получения двумерных материалов? Насколько я понимаю, в основном, они работают по принципу «сверху вниз»: то есть мы берем какой-то трехмерный кристалл и потом либо травим его, либо отделяем от него каким-то образом отдельные слои. Это действительно более перспективный подход? Получать двумерные материалы, скажем, напылением или сборкой из отдельных атомов не так перспективно?

Все зависит от применения. Двумерные материалы получают и из отдельных атомов, скажем, осаждением из газовой фазы — химическим или физическим. Например, производители растят сейчас графен — однослойный или двухслойный — на медной фольге. Или же дисульфид молибдена и нитрид бора — на кремниевых подложках. Но это достаточно дорогая технология, она ограничена в объеме и годится в основном для электронных приборов.

А с помощью чисто химической технологии, основанной на сдвиге и разделении ван-дер-ваальсовых структур или избирательном травлении, можно производить не только миллиграмм материала, а килограммы, тонны, тысячи тонн. Это значит, что такая технология может оказать влияние не только на электронные устройства и структуры, а практически на все области человеческой деятельности.

[С помощью такого подхода] можно будет построить летательный аппарат, звездолёт, в оболочку которого будет встроена вся необходимая электроника — из материала с необходимыми свойствами, который может менять форму при необходимости. То есть это действительно научная фантастика, которая становится реально осуществимой. На мой взгляд, влияние на технологии наноматериалов — в первую очередь, двумерных, — производимых в больших количествах, будет гораздо большим, чем, например, изготовление какого-нибудь следующего чипа на подложке.

При этом все новое совершенно не обязательно отметает старое. Например, для квантовых компьютеров и квантовых технологий нужны малюсенькие частицы на подложке, которые работают при очень низких температурах и должны воспроизводимо выполнять какие-то операции. Это тоже будет существовать и требовать выращивания крошечных идеальных кристаллов.

А насколько, по-вашему, эти материалы далеки сейчас от широкого применения в повседневной жизни?

Максены — относительно недавно открытые материалы, которые мы только сейчас учимся понимать и производить. Они — несомненно дальше от промышленного производства, чем, скажем, графен или нитрид бора. По той простой причине, что графен и нитрид бора уже сейчас производятся в больших количествах. Скажем, многослойный графен, получаемый из графита, уже сейчас используют в качестве добавок в композиты. Например, из него делают охладительные пластины для мобильных телефонов Huawei — то есть они уже сейчас используются в производстве.

А вот для многослойных двумерных материалов, мне кажется, пройдет еще лет пять-десять, прежде чем они станут широко используемыми и из них начнут делать какие-то устройства. Но попытки продвижения в мир интернета вещей и создания гибкой прозрачной электроники, которые предпринимаются сейчас, я думаю, могут ускорить этот процесс.

Вы сказали, что каждый отдельный двумерный слой — это своего рода кирпичик для построения большого, многослойного материала. Насколько вообще сложно получать вот такие многослойные гетероструктуры, состоящие из слоев разного состава? Например, Константин Новосёлов рассказывал, как студенты его группы послойно, чуть ли не по атому, с помощью ван-дер-ваальсовых пинцетов выкладывают эти слои, и это занимает довольно значительное время.

Несомненно, выкладывание их оптическими или механическими пинцетами, или осаждение монослоями из газовой фазы (что тоже Новосёлов делал, чтобы создать такие «сэндвичи» из разных материалов) — это все невозможно перевести на большие объемы. Единственный способ собирать их в больших объемах — это самосборка, самоорганизация. Метод послойного осаждения (layer-by-layer deposition) известен давно. И здесь, на мой взгляд, мы переходим из века физики — потому что XX век действительно определялся успехами физики, начиная от квантовой физики и заканчивая электроникой, — в век химии. Успехи в создании новых структур будут определяться успехами химиков. В какой-то степени, можно, наверное, даже отследить эту тенденцию. Например, индексы цитирования химических журналов, как и количество статей и самих этих журналов, растут очень резко. В то время как импакт-факторы физических журналов или стоят, или катятся понемножку вниз. Во всяком случае, они очень существенно отстают от химических журналов и журналов по наноматериалам. Я думаю, что эта тенденция уже сейчас видна. Нужно еще какое-то время, чтобы она стала реализованной на практике и пошла в мир действительно широкими шагами.

А в какой степени свойства двумерных материалов в целом и каждого отдельного слоя действительно определяются физическими характеристиками этих слоев, а в какой – химическими? С одной стороны, есть электронная зонная структура материала, а с другой — есть, например, определенные химические группы на их поверхности или химическое взаимодействие слоев между собой.

Ну, опять-таки, физика определяется химией. Может быть, у меня как у человека, который гораздо больше химик, чем физик, есть свое предпочтение к химии. Но реально физические свойства материалов определяются, в первую очередь, химическим составом, и, во вторую очередь, структурой этого материала, которая — более физический фактор. То есть мы контролируем химию, но, естественно, мы меряем физические свойства. Потому что такие свойства, как та же самая проводимость или поглощение в определённом спектре длин волн являются очень важными для практических применений. То есть, фактически, мы используем химию, чтобы контролировать физику. Это все вместе называется «материаловедение».

А эти физические свойства конкретных двумерных материалов можно как-то заранее предсказать? Может быть, на основе свойств трехмерных, объемных кристаллов? Понятно, что ученый всегда заранее понимает, как этот материал будет работать, как минимум, в общих чертах. Но можно ли как-то количественно предсказать, как будет вести себя двумерный кристалл определенного состава?

Вот это как раз — совершенно критический момент. Почему? Все эти технологии, о которых я говорю, невозможны без использования искусственного интеллекта, без хороших способов предсказания свойств материалов, начиная от методов ab initio и теории функционала плотности и двигаясь дальше. Когда у нас такое большое количество возможных составов — даже для одних максенов это фактически неограниченное количество твердых растворов, смесей, различных структур, — мы не можем экспериментально каждый из них изготовить. И тем более не можем после этого собрать из них устройства со всеми возможными комбинациями материалов.

Мы должны прийти к уровню технологий, когда можно всё это рассчитать заранее и предсказать. Поэтому роль компьютера не будет уменьшаться. Чтобы это сделать, нам будут нужны в том числе и квантовые суперкомпьютеры. Чтобы проконтролировать, как и в каком порядке нужно собирать сначала атомы в двумерные кирпичики, а потом двумерные кирпичики — в большие гетероструктуры, чтобы добиться необходимых свойств и чтобы сделать то или иное устройство.

То есть вы идете скорее от физических свойств, которые нужно получить, и ищете те материалы, которые будут эти свойства обеспечивать?

Да. Но одновременно с этим мы ищем и химические свойства, и способы синтеза. Например, расчетными способами мы определяем, какие MAX-фазы можно протравить, чтобы получить максены: какие химические связи легче разорвать, чтобы создать, например, двумерные материалы. Точно так же наши коллеги предсказывают химическую или каталитическую активность этих материалов, то есть их практические химические свойства. Или ту же самую зонную структуру этих материалов.

Когда мы переходим на уровень атомов, молекул, атомарно тонких слоев, физику и химию разделить становится очень трудно. Потому что у нас нет, скажем, идеального материала, который можно описать как какую-то стандартную структуру, и заниматься на ней чистой физикой. Мы все время меняем химию, чтобы сделать что-то новое. Физика важна, но она строится сейчас именно на химических изменениях, на «химическом программировании» материалов.

В конце у меня довольно общий вопрос. Кажется, что ажиотаж вокруг области, связанной с наноматериалами и нанотехнологиями, немного утих по сравнению с тем, что было, допустим, лет десять назад. Но при этом, если смотреть на статьи, которые выходят, — очень много серьезных работ с важными фундаментальными и прикладными результатами. Как вы считаете, на какой сейчас стадии находятся нанотехнологии как научная область?

Ажиотаж всегда возникает в начале. Есть период, когда что-то новое открыто и все возбуждены. Будь то нано, будь то что-то другое. Естественно, после какого-то периода шумиха или затихает полностью, или уменьшается, потому что это уже становится не столь ново. С другой стороны, это становится просто-напросто реально применимым. Нано сейчас проникло во все области. В биологии люди сейчас заняты не переписыванием видов животных или растений, а контролем на нано-уровне белков, ДНК — как, например, ученые, которые получили в этом году Нобелевскую премию [по химии] — или созданием на мРНК вакцин для того, чтобы бороться с коронавирусом. Это все, по сути, нанотехнологии.

Биология, наверное, даже раньше остальных перешла на нано-уровень. Когда речь идет о ферментах или каких-то участках ДНК, это уже нано. Материаловедение даже чуть позже стало нано.

Точно так же везде. Откройте ваш телефон. Все, почему он работает, — это нанотехнологии. Начиная от изменения структуры поверхности Gorilla Glass, которая позволяет ему не разбиваться, и кончая огромным количеством тонких слоев, которые покрывают устройства внутри телефона. Посмотрите на любой литий-ионный аккумулятор. В нём находятся нанотрубки, наночастицы — практически всё собирается на наноуровне. Или краски. Например, в титановых белилах находятся частицы рутила — оксида титана — размером в пару десятков нанометров. То есть нанотехнологии стали проникать практически во все области жизни. Это та стадия, когда они проникли в жизнь, когда мы учимся контролировать все на наноуровне. Поэтому много статей, поэтому много журналов.

Часто области применения материалов, которые вначале кажутся очень интересными, реализуются частично или не реализуются совсем. А другие применения оказываются реальными. Например, нанотрубки. Все говорили об электронике на основе нанотрубок. Где сейчас используются тысячи тонн нанотрубок? В качестве добавок к электродам в литий-ионных аккумуляторах. Это главная по тоннажу область применения. Или алмазоподобные пленки. Их разрабатывали вначале для алмазной электроники. А в конечном итоге, они оказались на поверхности каждого жесткого диска и дали возможность хранить данные в течение десятилетий. Они оказали колоссальное влияние технологию. Но никто этого применения даже не рассматривал и не думал о нём, когда они разрабатывались изначально.

Очень часто материалы и технологии проникают туда, где их не ждут. Но, когда они доступны, для них открываются возможности. Поэтому мы и пытаемся сейчас получить максимально возможное количество максенов, показать их свойства и дать возможность людям, которые создают устройства, новые материалы и новые технологии и понять, где наиболее перспективно их использовать.