Ученые составили атлас свойств двумерных металлов
Финские химики-теоретики составили атлас свойств двумерных металлов. Атлас включает в себя 45 различных металлов, три типа кристаллических решеток и содержит информацию об энергии и длине межатомных связей, а также о механических свойствах таких кристаллов, пишут ученые в Physical Review B.
С тех пор, как в 2004 году был открыт графен, различные двумерные материалы, состоящие из одного или нескольких атомарных слоев, привлекают внимание ученых в качестве потенциальных элементов нанотранзисторов, сенсорных панелей или различных датчиков. Такие кристаллы, в зависимости от своего химического состава, могут иметь различные физические свойства, но практически во всех из них атомы связаны между собой ковалентными связями. Недавно в одном из экспериментов обнаружили, что в поре графена можно получить небольшие участки атомарно тонких двумерных кристаллов, полностью состоящих из атомов железа. Оказалось, что некоторые металлы, в частности золото, серебро, медь и платина, действительно могут образовывать устойчивы двумерные фазы и в виде простых веществ. Однако никаких систематических исследований по изучению их устойчивости и возможных свойств к настоящему моменту не проводилось даже с использованием теоретических методов.
Чтобы провести систематический анализ таких материалов, финские химики-теоретики Янне Невалаита (Janne Nevalaita) и Пекка Коскинен (Pekka Koskinen) из Университета Йювяскюля решили рассчитать и собрать вместе свойства как можно большего числа двумерных простых металлов. Использовав численный расчет с использованием метода функционала плотности, ученые получили данные о свойствах 45 металлов от лития до висмута с тремя различными типами кристаллических решеток: квадратной и двух решеток с гексагональной симметрией (с плотной упаковкой и с сотовой структурой).
Чтобы доказать, что предложенная модель работает, с помощью нее также были посчитаны свойства трехмерных металлических решеток, для которых известны большое количество экспериментальных данных. Ошибка при определении энергии связи в трехмерных металлов не превосходила 0,28 электронвольт, что подтвердило возможность использовать предложенную модель и для расчета свойств двумерных кристаллов.
В результате были получены данные об энергии и длине связи между атомами, модуль сжатия металла, а также другие параметры, характеризующие его механические и электронные свойства.
Оказалось, что для подавляющего большинства исследованных металлов обе гексагональные решетки являются значительно более устойчивыми, чем квадратная. При этом большая часть свойств двумерных металлов (как химических, так и механических) наследуется от трехмерных кристаллов с аналогичным типом решетки и связана с ними линейно. Поэтому зная величины различных физических параметров для трехмерных металлов, можно качественно довольно точно оценить и свойства двумерных металлов.
С помощью предложенного метода ученые также смогли получить данные о других упругих свойствах: модуль упругости и модуль изгиба — и карту электронной плотности в решетке.
По словам ученых, полученные данные будут в первую очередь характеризовать двумерные металлы, закрепленные на других двумерных материалах, например в порах графена. Однако именно в таком виде двумерные металлы сейчас и удается получать. Поэтому в будущем эти результаты должны стать ориентирами при планировании экспериментов по получению металлических пленок атомарной толщины. Поскольку связь в двумерных кристаллах является ненаправленной, такие материалы могут обладать интересными механическими свойствами, которые сильно отличаются от свойств ковалентных кристаллов и их можно будет использовать в качестве, например, проводящих мембран.
Сейчас двумерные металлические материалы планируют использовать в качестве элементов гетероструктур атомарной толщины, в которых можно управлять механическими и электронными свойствами. Кроме этого, в настоящее время активно развиваются и другие методы для получения ковалентных гетероструктур из двумерных полупроводниковых пленок, в частности, состоящие из полос разного химического состава или содержащие одномерную структуру внутри двумерной.
Александр Дубов
Это поможет добывать руду и обрабатывать ядерные отходы
Европейские физики теоретически и экспериментально исследовали цикличные процессы всплытия и опускания на дно зерен арахиса в пиве, который называют «танец арахиса». Для этого они в течение двух с половиной часов снимали на камеру этот процесс в лаборатории. Анализируя эти результаты, ученые выяснили, что танец происходит из-за поверхностных свойств арахиса, на которых образование пузырьков предпочтительнее, чем на стенках стакана. Исследование опубликовано в Royal Society Open Science. В России распространен фокус, который показывают на вечеринках с шампанским. Для этого в полный бокал игристого напитка бросают изюминку, кусочек ананаса или дольку шоколада. Брошенное в жидкость тело сначала тонет, но затем всплывает под действием пузырьков газа, зародившихся на его краях. У поверхности пузырьки разрушаются и цикл повторяется. В аргентинских барах существует такая же традиция, только вместо шампанского там используют пиво, а вместо изюма — арахис. Там этот трюк получил название «танец арахиса». Несмотря на качественное понимание такого танца, физики плохо понимают его детали. Вместе с тем, такие процессы происходят не только на вечеринках или в барах, но и в природе: предполагается, что именно так плотный магнетит всплывает в магме. Похожим же образом горняки отделяют железо от руды. Разобраться в этом вопросе решили Луис Перейра (Luiz Pereira) из Университета Людвига Максимилиана и его коллеги из Англии, Германии и Франции. Для этого они провели экспериментальны с арахисом в пиве и подтвердили их результаты численными вычислениями. Физики наполняли резервуар размером 100 × 100 × 200 миллиметров одним литром лагера и опускали в него 13 обжаренных зерен арахиса Arachis hypogaea. Весь процесс они снимали на цифровую камеру. На начальном этапе все зерна плавали на поверхности из-за активного образования пузырей в перенасыщенном углекислом газом пиве. Примерно через 25-30 минут количество пузырьков уменьшалось и арахис начинал цикличное движение вверх и вниз под действием описанного выше механизма. Танец всех зерен прекратился примерно через 150 минут после начала эксперимента — количество газа, растворенного в пиве, опустилось ниже пороговой отметки. Для анализа результатов эксперимента авторы разбили задачу на три части: зарождение пузырьков, плавучесть и цикличность. Для этого им потребовалось знать капиллярные свойства системы, такие как плотность пива и газа, поверхностное натяжение, углы смачивания и так далее. Первое они рассчитали с помощью пивного онлайн калькулятора, второй — взяли из литературы, а для получения информации об углах ученым потребовалось провести дополнительные эксперименты по смачиванию пива стеклом и плоской частью арахиса. В результате физики смогли воспроизвести основные особенности поведения арахиса в пиве, которые они увидели в эксперименте. Так, они доказали, что арахис обладает поверхностью, на которой образование пузырей энергетически более выгодно, чем на стенках стакана. Если бы это было не так, танец арахиса был бы невозможен. Ученые отмечают, что арахис в пиве может служить модельной системой не только для задач геологии и добычи полезных ископаемых, но и в обработке ядерных отходов. Один литр пива — это не так много, когда речь идет о физическом эксперименте (впрочем, не только). То ли дело 30 литров! Именно столько потратили физики из Германии и Кореи, изучая стабильностью пивной пены при розливе «снизу-вверх».