Фосфорен оказался ауксетиком

Химики из США и Канады впервые показали, что двумерный черный фосфор, состоящий всего из нескольких атомарных слоев, является ауксетиком. Так называют материалы, которые при растяжении не сжимаются в поперечном направлении, а наоборот, расширяются. Такое поведение характерно для очень ограниченного числа известных материалов. Ученые отмечают, что черный фосфор является первым низкоразмерным ауксетиком природного происхождения. Все ранее изученные двумерные материалы с этим свойством были искусственно созданы человеком. Работа опубликована в журнале Nano Letters.

Ауксетичность обусловлена особым строением материала. Так, существуют материалы, в которых растяжение вдоль одной кристаллографической оси приводит к перестройке атомов в других направлениях. Наглядным примером этого могут служить разнообразные шарнироподобные структуры, растяжение которых приводит к перегруппировке составляющих частей. В некоторых случаях это может привести к утолщению структуры в направлении, перпендикулярном приложенной растягивающей силе, то есть к ауксетичности.

Некоторые примеры ауксетиков и их устройство

Один из известных материалов с этим свойством — обыкновенная бумага. Примером ауксетика природного происхождения является минерал натролит, состоящий из скрепленных между собой квадратных фрагментов. Среди двумерных материалов к ним можно отнести искусственно созданные мономолекулярные пленки белка RhuA — фермента-альдолазы, участвующего в метаболизме фруктозы (мы о них писали ранее). Такие материалы могут найти применение, например, в пьезоэлектрических устройствах, усиливая отклик пьезоэлектрика, помещенного между двумя ауксетичными электродами.

Авторам новой работы удалось показать, что такой широко известный материал, как черный фосфор, также может обладать ауксетичностью. Ученые изучали тонкие пленки данного вещества, толщиной всего в несколько атомных слоев, методом рамановской спектроскопии и обнаружили, что материал обладает отрицательным коэффициентом Пуассона вдоль нескольких направлений кристалла. Коэффициент Пуассона является отношением величин поперечного сжатия к продольному растяжению, взятому с обратным знаком. Его отрицательное значение как раз говорит об ауксетичности.

Одиночный кристаллический слой черного фосфора, или фосфорен, относится к классу двумерных материалов, таких как графен, дихалькогениды переходных металлов, нитрид бора и т.д. Было показано, что свойства таких материалов могут разительно отличаться от свойств объемных аналогов. Так, температура перехода в сверхпроводящее состояние (T

) для объемного селенида железа FeSe составляет всего 8 кельвинов (около −265,15 градуса Цельсия), при этом для монослоя этого же материала она выше более чем в десять раз и равна примерно 100 кельвинам (около −173,15 градуса Цельсия). Считается, что многие двумерные материалы могут найти применение в электронике будущего.

Екатерина Козлякова