Внедрение атомов кобальта и железа в графен, который был выращен на карбиде кремния, позволило создать ферромагнитную форму графена. Этот абсолютно новый материал способен сохранять ферромагнитные свойства даже при комнатной температуре. Это открывает уникальные возможности для его применения в приложениях, связанных со спинтроникой и наноэлектроникрй. Графен – это “нобелевский” двухмерный углеродный материал. Он обладает уникальными свойствами: высокой прочностью и при этом легкостью, хорошей электропроводностью. На этом фоне особо привлекательными выглядят создание и использование ферромагнитного графена. Это особый вид графена, который обладает свойствами ферромагнетизма, то есть способен сохранять намагниченность даже в отсутствие внешнего магнитного поля.

Благодаря своей намагниченности он позволит хранить больше информации на меньшей площади и создавать более компактные и быстрые электронные устройства. Ученые из Красноярского научного центра СО РАН с коллегами из Санкт-Петербурга, Новосибирска и Москвы получили стабильный ферромагнитный графен, добавив к нему атомы магнитных металлов [1]. Новый материал проявляет ферромагнитные свойства при комнатной температуре. Авторы исследования подчеркивают, что это важный шаг в развитии спинтроники — области, занимающейся изучением и применением спиновых свойств электронов для хранения, передачи и обработки информации.

Специалисты вырастили графен на подложке из карбида кремния методом термического разложения. Затем они внедрили в графен атомы магнитных металлов — железа и кобальта и изучили характеристики новой системы. Внедрение железа и кобальта в графен позволило создать материал, который обладает ферромагнитными свойствами, то есть поддерживает намагниченность даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Особенность нового композита оказалась еще и в том, что он сохраняет это свойство при комнатной температуре. Такой материал может быть использован без необходимости в дополнительном охлаждении. «Мы показали, что графен на подложках из карбида кремния с добавлением магнитных металлов может проявлять ферромагнитные свойства при комнатной температуре. Это открывает новые возможности для хранения, передачи и обработки информации, создания новых типов запоминающих устройств, процессоров и коммуникационных систем. Результаты исследования также важны для понимания фундаментальных физических процессов, в частности, магнитных явлений, происходящих в графене и других двумерных материалах. Эти знания помогут в создании более сложных систем с уникальными физическими свойствами», — рассказал Антон Тарасов, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией радиоспектроскопии и спиновой электроники Института физики им. Киренского СО РАН.

Ученые определили особенности термической устойчивости новых 2D-материалов, аналогов природного минерала валлериита, и научились их контролировать, добавляя в состав примеси металлов [2]. Это позволит расширить потенциальные области применения нового класса двумерных сульфидно-гидроксидных синтетических материалов, например, использовать для получения высокотемпературной сверхпроводимости. Двумерные материалы, такие как графен, привлекают большое внимание благодаря своим уникальным свойствам, которые могут найти применение в электронике, катализаторах, сенсорах, биомедицине и других областях.

Недавно ученые Красноярского научного центра СО РАН разработали новый метод синтеза двумерных свободных от примесных фаз наночешуек синтетического валлериита и точилинита. Такие чешуйки состоят примерно из дюжины сложенных друг на друга монослоев сульфидов и гидроксидов. Полученные синтетические минералы были выделены в новое семейство 2D-материалов с многообещающими, но пока еще почти неизученными физическими и химическими свойствами. Чтобы понять специфику поведения новых 2D-материалов на основе валлериита, ученые из Красноярского научного центра СО РАН провели исследование термической стабильности и реакционной способности синтетических образцов слоистых материалов, аналогов природного минерала валлериита, представленных «наночешуйками». Эксперименты проводились в искусственно созданных атмосферах: окислительной – с избытком кислорода, и инертной.

Исследование термической стабильности валлериитоподобных материалов показало, что можно несколько регулировать характеристики за счет изменения состава слоев. Например, добавка алюминия в гидроксидный слой валлериита повышает его стабильность и эффективно препятствует окислению. Она также снижает содержание железа в гидроксидной части и уменьшает способность материала проводить тепло. Это, в свою очередь, замедляет химические реакции, протекающие с поглощением тепла, и наоборот ускоряет реакции, при которых тепло выделяется. Например, присутствие алюминия повышает температуры протекания процесса дегидроксилирования – удаления гидроксильных групп из вещества, до температуры около 500 градусов Цельсия. «Ранее нами были успешно разработаны гидротермальные методики получения двумерных сульфидно-гидроксидных материалов, аналогов природных минералов валлериита и точилинита.

В отличие от формирования указанных минералов в природных условиях, синтез в лаборатории позволяет тонко управлять составом и строением слоев таких материалов, что открывает широкие возможности их практического использования. Устойчивость материала к действию температуры является важной характеристикой, определяющей области его дальнейшего применения. Поэтому мы рассмотрели границы термической устойчивости синтетических двумерных материалов с добавленным литием и алюминием в окислительной и инертной атмосферах. Мы выяснили, что, например, в инертной атмосфере процесс деградации материала начинается при температурах свыше 400°С, а до указанной температуры материал достаточно стабилен», — рассказал Роман Борисов, кандидат химических наук, научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН.

На создание и изучение свойств двумерных слоисто-гидроксидных материалов ученых первоначально натолкнули существующие в природе минералы – точилинит и валлериит, которые в больших количествах встречается в Норильском медно-никелевом рудном месторождении, но остаются невовлеченными в промышленную переработку из-за недостаточного понимания строения и свойств. Изучение синтетических материалов может также помочь в создании основ для вовлечения указанных минералов в переработку. «Мы выяснили некоторые специфические характеристики 2D-слоистых структур, например, примеси алюминия и лития в гидроксидных слоях изменяют характеристики материала.

Информация о стабильности и реакциях валлериитов при повышенных температурах необходима для многих потенциальных применений; кроме того, это необходимо для понимания основ химии двумерных слоистых материалов и имеет практическое значение для обогащения полезных ископаемых и металлургии. Результаты этого исследования проливают свет на химическую реакционную способность 2D-материалов семейства валлериита и открывают путь для настройки их характеристик, в том числе в новых приложениях, где важно термическое поведение. Понимание особенностей структуры, электронных свойств и реакционной способности материалов группы валлериита может заложить основы для получения высокотемпературной сверхпроводимости», — заключил кандидат химических наук старший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН Максим Лихацкий.

Ученые из Пенсильванского университета (США) разработали устройство из графенового нанокомпозитного материала, которое может определять уровень глюкозы в поте в течение трех недель, одновременно отслеживая температуру тела и уровень pH [3]. Новый датчик представляет собой пластырь, ширина которого примерно в два раза превышает ширину почтовой марки. Он крепится к коже клейкой лентой и может передавать собранные данные по беспроводной сети на компьютер или мобильное устройство для оценки уровня глюкозы в реальном времени. Команда встроила в устройство электроды из графена, модифицированного лазером (LIG).

С помощью лазерной обработки ученые создали сплав из нанокомпозитных материалов на основе углерода и сплавов серебра и золота — металлов с высокой проводимостью, которые, к тому же, устойчивы к окислению. Материал, нагретый с помощью простой лазерной обработки, также противостоит агломерации — то есть наночастицы не собираются в кластеры, ограничивая площадь поверхности материала. Датчик, обработанный лазером, теряет только 9% своей чувствительности к глюкозе в течение трех недель. Для сравнения: немодифицированный датчик теряет чувствительность на 20%. Устройство позволяет калибровать измерения уровня глюкозы на основе колебаний pH пота и температуры тела в результате таких действий, как физические упражнения и прием пищи.

Исследователи из Пенсильванского университета разработали упрощенную модель, которая имитирует, как вкус влияет на то, что мы едим, в зависимости от потребностей и желаний [4]. Система состоит из датчиков «электронного языка» и модели вкусовой зоны коры головного мозга. Вкусовые рецепторы языка человека преобразуют химические данные в электрические импульсы. Эти сигналы передаются через нейроны во вкусовую зону коры головного мозга, где сложная сеть нейронов формируют восприятие вкуса. Исследователи разработали упрощенную биомиметическую версию этого процесса из двумерных материалов толщиной от одного до нескольких атомов. Искусственные вкусовые рецепторы состоят из крошечных электронных датчиков на основе графена, хемитранзисторов, которые обнаруживают газы или химические молекулы. В другой части схемы используются мемтранзисторы — транзисторы, запоминающие прошлые сигналы, изготовленные из дисульфида молибдена. Свойства двух разных 2D-материалов дополняют друг друга, образуя искусственную вкусовую систему. Например, обнаружив ионы натрия, система «почувствует» соленый вкус, говорят авторы исследования.

Этот процесс универсален, чтобы его можно было применить ко всем пяти основным вкусовым профилям: сладкому, соленому, кислому, горькому и умами. По словам разработчиков, такая роботизированная вкусовая система имеет многообещающие потенциальные применения: от диет, основанных на эмоциональном интеллекте, для похудания до персонализированных предложений еды в ресторанах. Предстоящая цель исследовательской группы — расширить вкусовой диапазон электронного языка. Мы пытаемся создать массивы графеновых устройств, чтобы имитировать около 10 000 вкусовых рецепторов нашего языка, каждый из которых немного отличается от других, что позволяет нам различать тонкие различия во вкусах, – Саптарши Дас, соавтор исследования. Исследователи полагают, что эта концепция вкусового эмоционального интеллекта в системе ИИ будет транслироваться на другие чувства, такие как визуальный, звуковой, тактильный и обонятельный эмоциональный интеллект, чтобы помочь в разработке настоящей роботизированной системы, работающей как человеческий мозг.

Kитайские ученые экспериментально обнаружили топологические фононы в графене. Чтобы исследовать фононные спектры во всей двумерной зоне Бриллюэна, они использовали метод электронной микроскопии с высоким разрешением характеристических потерь энергии электронов [5]. Фононы играют важную роль в тепловых, механических и электронных свойствах кристаллических материалов. При этом особый интерес представляют топологические фононные состояния, возникающие на пересечении фононных ветвей с различными параметрами. Эксперименты по изучению таких состояний начали проводить достаточно недавно.

В двумерных материалах топологические фононные состояния ранее не наблюдались из-за высокого необходимого разрешения по энергии от 0,1 до 10 миллиэлектронвольт. Такого разрешения по энергии практически невозможно достичь при изучении фононных состояний традиционными методами — при помощи неупругого рассеяния рентгеновских лучей или нейтронов. Это существенно усложняет экспериментальное изучение топологических фононных состояний по сравнению, например, с аналогичными состояниями для электронов. При этом топологические состояния электронов в двумерных материалах приводят к неожиданным свойствам.  Ли Цзяде (Jiade Li) с коллегами из Национальной лаборатории физики конденсированных сред в Пекине и ряда других китайских институтов использовали для исследования фононных структур в графене метод электронной микроскопии высокого разрешения по характеристическим потерям энергии электронов.

Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики США изобрели покрытие, которое может значительно уменьшить трение в обычных несущих системах с движущимися частями, от приводов транспортных средств до ветряных и гидроэлектрических турбин. В основе разработки — поврежденные углеродные нанотрубки. Многостенные углеродные нанотрубки покрывают сталь, отталкивают коррозионную влагу и служат резервуаром для смазки, объясняют разработчики. Для изготовления покрытия исследователи нагревают диск из нержавеющей стали, чтобы на поверхности образовались частицы оксида металла. Затем они используют химическое осаждение из паровой фазы, чтобы ввести углерод.

Оксиды металла «сшивают» углерод, атом за атомом, формируя крошечные трубчатые структуры. Новые нанотрубки не обеспечивают суперсмазывающую способность до тех пор, пока не будут повреждены. Углеродные нанотрубки разрушаются при трении, но становятся новым объектом. Эти сломанные углеродные нанотрубки представляют собой кусочки графена. Они размазываются по поверхности и соединяются с областью контакта, становясь тем, что мы называем трибопленкой, покрытием, образующимся в процессе, – Цзюнь Цюй, соавтор исследования. Исследователи отмечают, что если обе контактирующие поверхности покрываются частицами, то при движении происходит трение графена о графен. Последний компонент — небольшое количество смазывающего масла. Без него трение слишком агрессивно удаляет углеродные нанотрубки и покрытие не может сформироваться. Анализ показал, что использование такой смазочной поверхности снижает коэффициент трения до 0,001, намного ниже порогового значения сверхсмазывающей способности материалов. При этом свойства сохранялись при испытаниях более чем на 500 000 циклов трения, при непрерывном скольжении в течение трех часов, одного и двенадцати дней.

Источники:

1.  Sergei O. Filnov, Dmitry A. Estyunin …    Room Temperature Ferromagnetism in Graphene/SiC(0001) System Intercalated by Fe and Co.   Rapid Research Letters Early View.
2. Maxim N. Likhatski, Roman V. Borisov …    Specificity of the Thermal Stability and Reactivity of Two-Dimensional Layered Cu–Fe Sulfide-Mg-Based Hydroxide Compounds (Valleriites).  ACS Omega 2023, 8, 39, 36109–36117 
3. Farnaz Lorestani, Xianzhe Zhang …   A Highly Sensitive and Long-Term Stable Wearable Patch for Continuous Analysis of 4 in Sweat. Advanced Functional Materials Early 
4. Subir Ghosh,  Andrew Pannone … An all 2D bio-inspired gustatory circuit for mimicking physiology and psychology of feeding behavior.  Nature Communications volume 14, 021 (2023
5. Jiade Li, Jiangxu Li  … Direct Observation of Topological Phonons in Graphene  Phys. Rev. Lett. 131, 116602 – 2023
6. Chanaka Kumara, Michael J. Lance … Macroscale superlubricity by a sacrificial carbon nanotube coating.  Materials Today Nano, Volume 21, March 2023, 100297

Автор: Академик Олег Фиговский, Израиль
Источник: http://www.proatom.ru/