Алмаз с начинкой

Физики научились надежно создавать графен из алмаза при помощи лазера

Под действием лазерного излучения внутри алмаза появляются графеновые наноструктуры. Изображение: ИТАР-ТАСС/Архив

Российские исследователи из Института общей физики, МИФИ и Института биоорганической физики показали, что под действием фемтосекундных лазерных импульсов внутри алмазов самопроизвольно образуются упорядоченные структуры из графеновых листов.

Сегодня наноматериалы (материалы, созданные с использованием наночастиц или с применением нанотехнологий) все больше используют не только в лабораториях, но и на производстве: для получения уникальных механических свойств в различных углеродных композитах, при разработке электроники, лекарств и многого другого. Есть два подхода к созданию наноматериалов. Один называется «сверху-вниз», а другой, наоборот, «снизу-вверх». Первый предполагает, что наноматериалы делают из структур вполне осязаемых, макроскопических размеров. Так, например, некоторые наночастицы можно получать просто измельчая микрочастицы того же вещества в шаровой мельнице, а нобелевские лауреаты по физике 2010 года Андрей Гейм и Константин Новоселов рассказывают, что первые образцы графена они нашли на липкой ленте скотча, отодранного от графита.

Подход «снизу-вверх» предполагает более сложную технику. Его самое радикальное воплощение — непосредственная сборка нанообъекта из отдельных атомов, которыми манипулируют с помощью атомного-силового микроскопа. Понятно, что такая технология очень трудоемкая и дорогая, потому ученые обычно действуют хитрее: они «заставляют» какие-нибудь маленькие объекты собираться в наноструктуры под действием внешних факторов.

Так, чуть более пяти лет назад ученые впервые придумали способ получать нанографеновые листы прямо внутри алмаза (оба этих материала наряду с тем же самым графитом или, например, нанотрубками представляют собой разные формы углерода). Для этого алмаз обрабатывают фемтосекундным лазером (такие лазеры способны генерировать короткие световые импульсы длительностью в несколько фемтосекунд — 10—15 секунды).

Излучение фокусируется в толще материала, и алмаз начинает плавиться, а после из этого расплава самопроизвольно образуются графеновые листы.


Эта методика вполне успешно применялась во многих исследованиях. Например, американские ученые под руководством Ричарда Канера и вовсе получили графен с помощью обычного компакт-диска и DVD-дисковода. Исследователи наносили на диск раствор оксида графита, который после высыхания образовывал тонкую пленку. Затем диск вставляли в дисковод, обрабатывали его с помощью программы записи и получали на поверхности графеновые структуры.

Однако метод синтеза графена внутри алмазов с помощью лазеров пока не совсем отработан. Так, у материалов, полученных разными научными группами, заметно и подчас необъяснимо отличаются характеристики. Кроме того, у ученых до сих пор не было внятной модели для описания процесса превращения алмаза в графен под действием лазерного излучения. Исправить досадный пробел решили российские ученые.

Для этого они взяли алмаз размерами 1,1х1,2х5,0 миллиметра и облучали его фемтосекундным лазером, а потом описывали получающиеся структуры с помощью методов оптической микроскопии и рамановской спектроскопии комбинационного рассеяния (эта техника позволяет отличать атомы углерода, образующие графен, и атомы углерода, образующие алмаз, поскольку они по-разному взаимодействуют со светом).

В результате оказалось, что в графен превращается только малая часть атомов углерода — около 16%. Происходит это следующим образом: сначала в структуре материала под действием лазерных импульсов, несущих большую энергию, появляются трещины, а затем вокруг них нарастают графеновые нанослои, каждый толщиной примерно в 40—100 нанометров. Эти слои могут быть по-разному упорядочены в пространстве, но всегда перекрываются между собой и образуют непрерывную фазу — такой электропроводящий островок среди непроводящего алмаза.

Трещины в алмазе, образовавшиеся под воздействием лазера. Фото авторов исследования


На основе подобных структур можно создавать электрические конденсаторы очень большой емкости. В простейшем случае эти электронные компоненты представляют собой две проводящие пластины, разделенные непроводящим диэлектриком (при этом емкость такого плоского конденсатора прямо пропорциональна площади его пластин). Эту же схему отдаленно напоминает и изученная система, но только проводящие плоские листы графена в таком конденсаторе разделены не воздухом или жидкостью, а непроводящей толщей алмаза.

При этом электрическая емкость такой системы очень велика, поскольку нанографеновые листы обладают очень развитой поверхностью (точно так же площадь поверхности листа наждачной бумаги гораздо больше площади поверхности стекла такого же размера, поскольку на наждачной бумаге очень много микроскопических выступов). Поэтому алмазные конденсаторы можно использовать там, где нужно очень быстро запасти на некоторое время большое количество электрической энергии.
Статья российских ученых опубликована в журнале Carbon.

В последнее время исследователи все чаще пробуют сочетать свойства различных углеродных материалов в одной системе. Так, ученые из Сколтеха недавно создали на базе углеродных нанотрубок и графена гибкий наноматериал для сенсорного экрана.
Михаил Петров
Теги:

Читать еще на Чердаке: