Алмазные «руки» собрали провода толщиной в три атома

Материаловеды из США, Мексики и Германии синтезировали провода на основе сульфида меди, толщина которых составляет всего три атома. Добиться упорядоченной структуры удалось с помощью направленной самосборки, за которую отвечали молекулярные фрагменты алмаза. Ученые полагают, что подобные провода могут найти применения в умной одежде — если заменить медь на цинк, то структуры будут обладать пьезоэлектрическими свойствами и смогут вырабатывать электрический ток при деформации. Интересно, что сразу после сборки нанопровода оказываются покрыты изолирующим слоем из «наноалмазов». Исследование опубликовано в журнале Nature Materials, кратко о нем сообщает пресс-релиз Национальной ускорительной лаборатории SLAC.

Протяженные наноструктуры, получающиеся методами самосборки, часто состоят из одноатомных цепочек, по которым могут перемещаться заряды. Это значительно ограничивает электронные свойства таких структур: носителям заряда приходится поочередно перемещаться от атома к атому, образуя «очереди». Обойти это ограничение можно немного увеличив диаметр проводящей части. Для этого авторы новой работы предложили альтернативный подход к самосборке нанопроводов.

Один из способов направить самосборку к требуемой геометрической форме — использовать поверхностно-активные вещества. Их молекулы способны прочно связываться с определенными областями зародыша наночастицы и не давать ему расти в этих направлениях. К примеру, призматические кристаллы под действием ПАВ могут превратиться в тонкие иглы, если заблокировать боковые грани, или в плоские многоугольники — если заблокировать рост оснований призмы. Другой подход используется в металл-органических каркасах. Форма и изгибы органических молекул, которые скрепляют между собой атомы металлов, определяет строение и геометрию будущего каркаса. 

В новой работе фактором, направляющим рост нанопроводов, стало ван-дер-ваальсово взаимодействие между фрагментами органической «шубы» исходных молекул. В отличие от ионных и координационных взаимодействий, определяющих поведение молекул ПАВ или металл-органических каркасов, ван-дер-ваальсовы взаимодействия очень слабы. Но, как показала работа материаловедов, их тоже достаточно для направленной самосборки. 

Исходными веществами для синтеза были раствор сульфата меди, содержащий ионы металла, и раствор адамантантиола. Последний представляет собой молекулу, структура углеродного скелета которой повторяет структуру алмаза. Иными словами, это наноалмаз, состоящий из всего 10 атомов углерода, окруженный атомами водорода. Окончание тиол означает, что к структуре прикреплен один боковой атом серы, ответственный за соединение алмазоподобной частицы с медью. 

После смешивания ингредиентов материаловеды обнаружили, что в растворе выросли многочисленные наноиглы, диаметр которых начинался от 10 нанометров, а длина превышала 100 тысяч нанометров. Иглы росли благодаря взаимодействиям между «наноалмазами» — ван-дер-ваальсово притяжение между органическими частицами были сильнее, чем возможное отталкивание на поверхности нанопровода. Авторы сравнивают процесс самосборки структуры со сборкой из конструктора LEGO: каждая деталь крепилась к строго определенному месту.

Сердцевина нанопровода, как показали рентгеноструктурные исследования, состоит из чередующихся треугольников серы и меди. Помимо меди, ученым удалось получить похожие провода из серебра, цинка, кадмия и железа, что показывает универсальность подхода. Авторы рассказывают, что структуры, получившиеся с сульфидом кадмия могут быть интересны с точки зрения их оптических свойств — они близки к материалам, использующимся в светодиодах, а аналогичный селенид железа интересен с точки зрения возможных сверхпроводящих свойств. 

Ранее группа японских химиков под руководством Макото Фудзиты из Университета Токио запустила рекордную по масштабам самосборку металл-органического многогранника. Благодаря правильному подбору органического лиганда и условий синтеза ученые добились направленной самоорганизации 144 частиц в единую структуру. 

Владимир Королёв