Физики из университета Кёльна нашли способ управлять силой ван-дер-ваальсовых взаимодействий между графеном и другими молекулами за счет специальных добавок. Это самый распространенный тип взаимодействий, который существует между любыми молекулами. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.
Авторы манипулировали ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями с помощью допирования графена различными типами примесей. В эксперименте физики использовали монослой графена, нанесенный на металлическую подложку. Атомы примесей располагались между наноматериалом и подложкой, чтобы не оказывать непосредственное влияние на открытую поверхность образца.
Затем физики поместили графен в атмосферу паров нафталина. В этих условиях часть молекул адсорбировалась на поверхности монослоя углерода благодаря ван-дер-ваальсовым связям. Из-за того, что эти связи обладают невысокой энергией, процесс отрыва их от поверхности происходит при нагревании, причем, чем слабее связь, тем меньшие температуры нужны для отрыва молекул.
Авторы сравнили температуры, необходимые для разных типов допантов — доноров электронов, привносящих в графен избыточную электронную плотность, и акцепторов, наоборот стягивающих на себя электроны графена. Оказалось, что доноры электронов увеличивали силу связи между молекулой нафталина и двумерным материалом, а акцепторы — наоборот, уменьшали.
Ученые объясняют этот эффект с помощью теоретических вычислений. Компьютерное моделирование показывало, что донорные примеси приводят к расширению электронных оболочек атомов углерода. Это увеличивает их поляризуемость — способность создавать избыточный электрический заряд за счет перераспределения электронной плотности.
Силы Ван-дер-Ваальса возникают благодаря поляризации электронных оболочек атомов, оказавшихся достаточно близко друг к другу. Они гораздо слабее, чем традиционные химические связи — ковалентная и водородная, но именно благодаря им тяжелые углеводороды, например, парафины, оказываются твердыми веществами.