Графен, графдин, фуллерены и нанотрубки

Модераторы: morozov, mike@in-russia, Editor

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 29920
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#181   morozov » Вт июл 05, 2016 16:10

По золотой дороге на фуллереновых колесах

Исследователи из Ирана [1], не удовлетворенные современным состоянием теоретических исследований в области наномашин, предприняли попытку рассмотреть поведение фуллереновых колес (см. рис.) на поверхности золота в рамках теории функционала плотности.

ИзображениеИзображение
Схематическое изображение наномашины с фуллереновыми колесами на поверхности золота:
вид сверху-сбоку (слева) и вид сверху (справа)
С помощью программного комплекса SIESTA они не только нашли энергетические, электронные и геометрические характеристики молекулярного болида, обутого в бакиболы, но и провели дополнительные молекулярно-динамические расчеты, правда уже одного единственного C60-колеса при комнатной температуре. В результате оценки энергий связи авторы пришли к выводу, что как шасси, так и колеса наномашины настолько сильно связываются с золотом, что объект при 300 K остается попросту зафиксированным на поверхности. Таким образом, чтобы заставить наномашину двигаться, необходимы температуры гораздо выше комнатных. К слову, равновесные расстояния между поверхностью золота и фуллереном и между поверхностью золота и молекулярным шасси составили, соответственно, 2.2 и 2.3 Å. Тем не менее, результаты молекулярно-динамического моделирования, приведенные авторами для изолированного фуллерена при комнатной температуре, предсказывают его движение со скоростью ~8 нм/пс. При этом эксперимент, проведенный ранее [2], утверждает о “переползании” фуллерена (правда, уже в составе наномашины) по поверхности золота, нагретой аж до 225°C, лишь на несколько нанометров за полчаса. Возникающее противоречие авторы объясняют значительным влиянием молекулярного шасси на характер взаимодействия между наномашиной и поверхностью золота. Таким образом, по мнению исследователей, при конструировании машин на наноуровне обозначенный выше эффект, а именно “эффект шасси”, необходимо обязательно учитывать.

М. Маслов

1. M. Ghorbanzadeh Ahangari et al., Physica E 83, 174 (2016).

2. Y.Shirai et al., J. Am. Chem. Soc. 128, 4854 (2006).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 29920
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#182   morozov » Пт июл 08, 2016 22:53

Борофен, работа продолжается

С легкой руки графена квазидвумерные твердотельные структуры стали в последние годы очень модными, и за каждым новым плоским материалом ведется настоящая охота. Долгое время ничего не получалось с бором – соседом углерода в Периодической системе элементов. Теория предсказывала наличие большого количества почти вырожденных по энергии плоских конфигураций, но перенести хотя бы одну из них с бумаги на подложку никак не удавалось.

Первое сообщение о синтезе атомарно плоских пленок бора, названных борофеном, пришло в конце прошлого года (см. предыдущую заметку). Недавно опубликована статья [1], в которой китайские физики сообщили об эпитаксиальном росте плоского бора на подложке Ag(111). В зависимости от условий синтеза формируется одна из двух фаз (см. рис.)

Изображение Изображение

Атомные структуры двух различных фаз плоского бора на подложке Ag(111).

Виды сверху и сбоку. Оранжевые и серые шарики – атомы бора и серебра, соответственно.

Обе имеют треугольную решетку, но различаются характером периодического расположения вакансий. Данные сканирующей туннельной микроскопии хорошо согласуются с расчетами из первых принципов. Такие пленки могут найти применение в наноэлектронике.

1. B.Feng et al., Nature Chem. 8, 563 (2016).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 29920
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#183   morozov » Вт июл 12, 2016 4:11

Ultrashort pulses in graphene with Coulomb impurities
Article in Optics and Spectroscopy 120(6):940-943 · June 2016
Impact Factor: 0.72 · DOI: 10.1134/S0030400X16060126

1st N. N. Yanyushkina
25.69 · Volgograd State University
2nd M. B. Belonenko
35.16 · Volgograd insitute of busyness

Abstract
We have investigated the propagation of an electromagnetic field in graphene with impurities, including the two-dimensional case. The spectrum of electrons for the graphene subsystem is taken from a model that takes into account Coulomb impurities. Based on Maxwell’s equations, we have obtained an effective equation for the vector potential of the electromagnetic field. It has been revealed that the pulse shape depends on free parameters.
https://www.researchgate.net/publicatio ... impurities
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 29920
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#184   morozov » Пт июл 15, 2016 21:59

Борофен, новые подробности

Как учил известно кто, - а до него многие другие - все развивается по спирали. И действительно: вопреки ясно выраженной тенденции увеличивать, где только можно, число измерений (говорят, по ходу фильмов в некоторых кинотеатрах уже покачивают кресла и организуют запахи - хотя трудно себе представить, чем это можно перебить устойчивую вонь горелых кукурузных зерен), – так вот, вопреки потребительскому мэйнстриму ученый мир время от времени возвращается и ищет нечто новое в плоском 2D мире - и находит!

Об очередной такой находке коллектив ученых из США, Китая и России сообщил в статье [1] (мы об этом уже кратко рассказывали в предновогоднем ПерсТе [2]). Авторы работы [1] сумели получить двумерный лист из атомов бора. Это гораздо менее тривиально, чем лист из атомов углерода, хотя едва ли слово тривиально применимо в данном сравнении – графен, как-никак, увенчан Нобелевской премией.

Но там, с углеродом, все-таки было проще – природа приготовила исследователям подсказку в виде графита, который, пусть менее аккуратно, достаточно давно расщепляли в промышленных масштабах. Да и технические средства, c помощью которых качественный графен был получен впервые (рулон скотча), напоминали эпоху классиков – Резерфорда, который, как говорят, экспериментировал с коробочкой и веревочками, или Майкельсона, который впервые измерил скорость света в лабораторных условиях в установке ценой 8 (восемь) долларов [3]. Так что графен в своей классической простоте был обречен, стать Нобелевским объектом, а вот с бором все было трудней.

При валентности 3 бору было никак не вписаться в проверенный шестигранный мотив плоского листа, как у графена. Правда, наработки были. Самый простой путь – скомпенсировать недостающую валентность бора избыточной валентностью еще чего-нибудь. Эта идея привела к рождению нитрида бора – широкозонного полупроводникового материла, действительно укладывавшегося в плоскость и даже получившего не вполне политкорректный по нынешним временам титул “белый графен” [4]. Кроме упомянутой неполиткорректности, нитрид бора все-таки еще не был бором – скорее полукровкой.

По собственно бору наработки тоже были – но только теоретические, и они не внушали оптимизма. Как оказалось, у бора более дюжины аллотропий. Конфигурация, которая приближалась к плоской, могла основываться на кластере в виде сильно приплюснутой пирамиды (см. рис.), и должна была быть весьма нестабильной.

Изображение

Но кого это останавливало? Сколько сил когда-то было затрачено на метастабильный металлический водород, который и получить-то удалось на кончиках алмазных наковален в чудовищном прессе! Но, видимо, возможный приоритет второго места в гонке двумерных материалов - сразу за графеном – был для авторов работы достаточным стимулом. Не зря еще не родившийся материал в публикациях уже называли “борофеном” [5]!

Короче, получение борофена оказалось несравненно более сложным и трудоемким, чем манипулирование скотчем. Для этого авторы в условиях сверхвысокого вакуума чуть ли не по одному раскладывали атомы бора на атомно-гладкую поверхность золотой подложки (111) при строго определенном диапазоне температуры подложки, причем сам бор, во избежание получения ненужных фаз, имел чистоту 99,9999% .

То, что получилось, было достаточно обстоятельно исследовано: AFM, XPS с угловым разрешением, STEM с разрешением отдельных атомов, расчет зонной структуры и плотности электронных состояний. Словом, сомнений в том, что получилось именно то, на что авторы претендуют, не остается. Борофен оказался металлом, причем туннельные ВАХ показывают наличие особенности Ферми в плотности состояний – то, что и должно быть у двумерного проводника.

Обращает на себя внимание структура: регулярные прорехи (см. рис.) в двумерной сетке – это нечто новое, что кому-то еще предстоит эффектно обыграть/использовать. Может, такие прорехи удастся использовать как шаблон дли получения трехмерной структуры из связанных перетяжками графенов. Пока такая 3D структура из 2D графенов придумана “на кончике пера” – но будет здорово, если это будет получено реально.

Так что второе место на пьедестале двумерных материалов занято. И – что приятно - такой красивой структурой.

М.Компан

1. A. J.Mannix et al., Science 350, 6267, 1513 (2015).

2. ПерсТ 22, вып. 23/24, с. 1 (2015).

3. М.Уилсон, “Американские ученые и изобретатели”, Пер. с англ. М. “Знание” (1964).

4. http://www.materialstoday.com/electroni ... ectronics/

5. Z.A.Piazza et al., Nature Commun. 5, 3113 (2014).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

potoksoznanya
Сообщения: 1113
Зарегистрирован: Вс фев 02, 2014 3:24

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#185   potoksoznanya » Пт июл 15, 2016 23:01

Ага, только ма-а-а-а-а-а-ленькая такая деталь.
Если графен - плоская решётка, которая может быть теоретически бесконечной (т.е. графен - кристалл), то борофен - нифига не плоский, бесконечная решётка невозможна, и, следовательно - это не кристалл. А так, просто весьма большой шарик.
Изображение

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 29920
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#186   morozov » Пт сен 02, 2016 4:53

Сверхупорядоченная структура на основе графена

Авторы работы [1] сообщают об успехе в получении так называемой двумерной сверхупорядоченной структуры на основе графена (GSOS). В основе методики синтеза лежит принцип самосборки отдельных монокристаллов графена за счет электростатических сил между соседними фрагментами и под действием гидродинамических сил, возникающих под действием набегающего газового потока, на поверхности жидкого металла (рис. 1).
Изображение
Рис. 1. Самоорганизация монокристаллов графена
В качестве источника твердого углерода, служащего центрами роста, использовали полиметилметакрилат (ПММА), который исследователи наносили на медную фольгу. По мере повышения температуры медная фольга в атмосфере водорода плавится, а ПММА разлагается и конденсируется, формируя указанные центры роста будущих графеновых монокристаллов, первоначальное распределение которых возможно реорганизовать с помощью направленного воздушного потока. Затем авторы вводили в систему CH4 для дальнейшего роста графеновых фрагментов и образования GSOS. Полученный материал характеризуется периодичностью расположения отдельных графеновых единиц, а также высокой однородностью размеров и неизменной ориентацией монокристаллов, что подтверждается дополнительными исследованиями с помощью сканирующей электронной микроскопии (рис. 2).

Изображение

Рис. 2. Изображение GSOS, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии.

Авторы особо отмечают возможность настройки всех параметров GSOS, а именно размеров отдельных монокристаллов, их угла поворота и интервала между ними посредством изменения скорости газового потока, температуры и времени отжига. Кроме того, с целью азотного допирования исследователи использовали мочевину в качестве источника углерода для образования центров роста. Как и оригинальные образцы допированные структуры также характеризуются одинаковыми размерами монокристаллов, идентичностью углов поворота и интервалами между отдельными фрагментами. Авторы тестировали производительность GSOS на созданных на их основе обратносмещенных полевых транзисторах. Подвижность, достигнутая на таких приборах, составила около 4000 см2/(В∙с), что сравнимо с аналогичными характеристиками для классических графеновых устройств. Подводя итоги, авторы считают, что предложенная ими методика создания сверхупорядоченных графеновых структур эффективна, экономична и масштабируема, поэтому вполне способна оказать существенное влияние на разработку новой элементной базы для нужд наноэлектроники будущего.

М. Маслов

1. M.Zeng et al., J. Am. Chem. Soc. 138, 7812 (2016).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

potoksoznanya
Сообщения: 1113
Зарегистрирован: Вс фев 02, 2014 3:24

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#187   potoksoznanya » Пт сен 02, 2016 11:45

Я вот тоже сегодня открытие сделал.
Если свежезасоленные рыжики немножко полить подсолнечным маслом, а потом пустую тарелку оставить на ночь - то капельки масла образуют на поверхности тарелки регулярную структуру. Не знаю, для чего это можно использовать - но наверняка для чего-нибудь можно. Ведь дырявый лист графита - для чего-то же собираются использовать? Так что - пойду ка я за новым экспериментальным материалом! Столько сейчас экспериментального материала в лесу - а кто-то какой-то хренью занимается!

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 29920
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#188   morozov » Пт сен 02, 2016 14:14

У меня отец был профессиональный грибник. Мы в самом деле с Уралу. Там без грибов в старые времена не выжить.
Ну а я больше пожрать... раз в детстве нашел монету 3/4 копейки, прямо в траве, кривая, зеленая кажется 16ХХ г. где-то под Можайском. Грибов очень мало нашел.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

potoksoznanya
Сообщения: 1113
Зарегистрирован: Вс фев 02, 2014 3:24

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#189   potoksoznanya » Пт сен 02, 2016 20:22

morozov писал(а):Там без грибов в старые времена не выжить.
Прям по Хакамаде. Когда её спросили, что делать, если в городе работы нет. Идите грибы собирать - был ответ. Так что живём по заветам Хакамады.
morozov писал(а): Ну а я больше пожрать...
Жря грибы, смотри на круги, ими образуемые — иначе сие занятие будет пустою забавою.

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 29920
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#190   morozov » Вт окт 04, 2016 0:32

Энергетика фуллеренов во внешнем электрическом поле

Авторы работы [1] с помощью расчетов из первых принципов проанализировали энергетические характеристики помещенных во внешнее электрическое поле (рис. 1) различных изомеров фуллеренов, подчиняющихся правилу изолированных пятиугольников (от C60 до C78). Результаты расчетов предсказывают рост полной энергии фуллерена пропорционально квадрату поля. Авторы приводят следующее выражение: Etot = a |E|2 - d · E , где E – электрическое поле, а d – дипольный момент молекулы. При этом, коэффициент пропорциональности a зависит от эффективных размеров, симметрии и ориентации фуллерена в пространстве (рис. 1). Так, в случае CC60 зависимость энергии от электрического поля имеет вид классической параболы (рис. 2).

Изображение

Рис. 1. Модель фуллерена, помещенного во внешнее электрическое поле.
Серые пластины представляют собой параллельные электроды. Ориентация фуллерена в пространстве определяется молекулярным углом q по отношению
к электрическому полю.

Для бóльших фуллеренов с высокой симметрией, таких как C70 или C72, a уже не является постоянным, а зависит от взаимной ориентации фуллерена и электрического поля (рис. 2), тем не менее, симметричность графика сохраняется. Фуллерены же с низкой симметрией, например, С744 или С78 вообще обладают аномальным характером зависимости: полная энергия фуллерена при определенной ориентации последнего относительно электрического поля ниже, чем при нулевом поле, что указывает на наличие у фуллерена дипольного момента по направлению электрического поля под определенными молекулярными углами. По мнению авторов, дипольный момент возникает из-за особого расположения углеродных пятичленных колец на поверхности фуллереновой клетки. В частности, для одного из изомеров C78 (C’2v) при пространственной ориентации с θ = 90° (см. рис. 2) восемь из двенадцати пятиугольников сосредоточены на верхней полусфере.
Изображение
Рис. 2. Относительные энергии фуллеренов C60 (a), C72 (b) и C78 (c) с молекулярными ориентациями θ = 0° (синяя линяя),
45° (желтая линия) и 90° (фиолетовая линия) как функции электрического поля. Энергии измерены относительно энергий
соответствующих фуллеренов в отсутствие электрического поля.

Вследствие природы углерод-углеродных связей в пятиугольнике плотность заряда в верхней полусфере оказывается ниже, чем в оставшейся, что приводит к асимметричному распределению зарядовой плотности между двумя половинками молекулы. Таким образом, именно неоднородным распределением зарядовой плотности по углеродной клетке авторы и объясняют столь необычную энергетику фуллеренов. Будем ждать экспериментального подтверждения и предложений по возможному применению этих свойств.

М. Маслов

1. J.-y. Sorimachi et al., Chem. Phys. Lett.659, 1 (2016).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 29920
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#191   morozov » Ср окт 19, 2016 0:17

Эффективная очистка эпитаксиального графена от полимеров

Получение графена высокотемпературной сублимацией карбида кремния (SiC) демонстрирует хорошую воспроизводимость и масштабируемость, в отличие от микромеханического отшелушивания. Однако дальнейшее его применение, например, при создании приборов и устройств наноэлектроники, зачастую требует использования различных полимеров (полиметилметакрилат, nLOF и др.), что приводит к ухудшению ряда характеристик графена, таких как подвижность носителей заряда. Одной из причин этого является его сильная восприимчивость к загрязнению молекулами полимеров: так называемые остаточные полимеры задерживаются на графене, создавая различные эффекты допирования, в частности, изменяя его зонную структуру. Поэтому в научной периодике регулярно поднимается вопрос о важности процедуры очистки с целью восстановления его первоначальных электронных характеристик.

Авторы работы [1] экспериментально, с помощью электроннотранспортных измерений и резонансной микро-рамановской спектроскопии, доказали эффективность очищения эпитаксиального графена на SiC подложке от остаточных полимеров озонированием. При этом данная процедура не только значительно снижает содержание допантов на графене, но и улучшает подвижность носителей заряда, исключая появление дефектов кристаллической решетки графенового листа. Кроме того, авторы установили, что эпитаксиальный графен на SiC чрезвычайно устойчив к воздействию агрессивных радикалов кислорода. Они связывают этот эффект с рельефом подложки, поскольку дополнительное компьютерное моделирование показало, что шероховатость графенового листа способна значительно (на несколько десятых электронвольт) изменять энергию образования эпоксигруппы. Такие вариации достаточны для переключения между двумя процессами в зависимости от локальной кривизны графена: формированию эпоксигрупп и образованию молекул кислорода.

Таким образом, кривизна графена существенно влияет на его устойчивость при обработке озоном. Оказывается, “неплоский” графен менее устойчив к очистке озоном, чем идеальный из-за наличия выпуклых областей, более химически активных к образованию эпоксигрупп. Таким образом, одной из причин повышенной устойчивости эпитаксиального графена на SiC к озонированию является его низкая шероховатость по сравнению, например, с графеном, выращенным методом химического газофазного осаждения на медной фольге и перенесенным в дальнейшем на соответствующую подложку. Авторы считают, что полученные ими результаты можно рассматривать как важный технологический шаг на пути к созданию электронных устройств, содержащих графеновые элементы.

М. Маслов

1. V.S.Prudkovskiy et al., Carbon 109, 221 (2016).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 29920
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#192   morozov » Сб ноя 05, 2016 23:10

Электронные свойства графдиновых нанотрубок

Хорошо известно, что если свернуть в трубку графеновый лист, то получится классическая одностенная углеродная нанотрубка. Однако класс двумерных углеродных аллотропов, которые легко можно скрутить в трубочку, не ограничивается лишь графеном. Существует и ряд родственных графену наноматериалов, например, предсказанный в 1987 г. графин, в котором бензольные кольца соединены друг с другом ацетиленовыми группами. Если же все ацетиленовые группы графина (−C≡C−) заместить диацетиленовыми (−C≡C−C≡C−), то получится графдин (первое упоминание о нем датируется 1997 годом). Считается, что этот аллотроп является одним из наиболее устойчивых искусственных двумерных углеродных модификаций. Именно из графдина авторы работы [1] решили получить различные углеродные нанотрубки и рассчитать их структурные, электронные и транспортные характеристики. Из графдина, как и из графена, можно скрутить нанотрубки, начав скручивание с края типа “зигзаг” или “кресло” (см. рис. 1).
Изображение

Рис. 1. Иллюстрация различных способов сворачивания
графдина в нанотрубку.

Изображение

Рис. 2. Примеры кресельных графдиновых нанотрубок
после оптимизации.
Примеры кресельных нанотрубок изображены на рис. 2. Оптимизацию геометрии и расчет электронных свойств авторы выполняли в рамках теории функционала плотности с помощью программного пакета SIESTA, а транспортные характеристики вычисляли с помощью стандартного метода неравновесных функций Грина в программе OpenMX. Авторы отмечают, что в отличие от классических нанотрубок графдиновые трубки обладают пористой поверхностью, что можно использовать в интересах водородной энергетики в качестве аккумуляторов топлива. Длины углеродных связей в графдиновых нанотрубках получились неодинаковыми, что является следствием различного типа гибридизации в углеродных кольцах и диацетиленовых мостиках. Что касается электронных свойств, то все исследуемые нанотрубки являются полупроводниками с шириной запрещенной зоны до одного электронвольта. При этом диэлектрическая щель чувствительна к диаметру трубки: с увеличением диаметра она уменьшается. Сравнивая кресельные и зигзаг-нанотрубки, авторы обращают внимание, что последние обладают более узкой диэлектрической щелью, таким образом, электронам необходима меньшая энергия для перехода из валентной зоны в зону проводимости, что приводит к увеличению тока (расчетные вольт-амперные характеристики исследователи также приводят в работе). Авторы полагают, что перспективы использования графдиновых нанотрубок в приборах наноэлектроники, безусловно, есть, однако, как традиционно бывает в таких случаях, проблема простой и масштабируемой методики синтеза пока остается неразрешенной.

М. Маслов

1. B.G.Shohany et al., Physica E 84, 146 (2016).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 29920
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, графдин, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#193   morozov » Чт ноя 10, 2016 18:22

Графеновый сенсор для мониторинга диоксида азота в атмосфере

Российским исследователям (часть из которых, правда, работает в Финляндии) удалось создать графеновый сенсор для мониторинга диоксида азота в окружающей среде [1]. Известно, что диоксид азота чрезвычайно токсичен. Даже в малых концентрациях он раздражает дыхательные пути и способен привести к серьезному отравлению. Поэтому проблема его своевременного обнаружения в приземной атмосфере задача достаточно актуальная. Здесь необходимо отметить, что традиционные металлоксидные сенсоры имеют относительно высокий порог детектируемых концентраций – от 0.1 до 100 миллионных долей (млн-1), что недостаточно для эффективного мониторинга, в то время как авторам работы [1] удалось на основе эпитаксиального графена, сформированного на карбиде кремния, создать датчик, способный улавливать NO2 в воздухе вплоть до 1 млрд-1. Исследователи также представили прототип мобильного прибора на базе разработанного сенсора, который позволяет проводить быстрые и воспроизводимые измерения концентрации NO2 в характерном диапазоне загрязнений окружающей среды (5–50 млрд-1).


Изображение

Графеновый сенсор на держателе

Дополнительные тесты на избирательность устройства для типичных атмосферных загрязнений показали, что основным препятствующим компонентом, влияющим на точность во время измерения концентрации диоксида азота, является озон O3. Однако авторы рассчитывают, что детальный анализ изменения сопротивления датчика в процессе десорбции газов при высоких температурах позволит разделить вклады от NO2 и O3 в общем отклике. К сожалению, ограничения доступного в настоящий момент авторам оборудования не позволили в должной мере в этом убедиться. Тем не менее, по мнению исследователей, благодаря низкой стоимости, минимальному потреблению электроэнергии и высокой эффективности предложенный ими сенсор на графене имеет неплохие шансы стать перспективным устройством для сверхчувствительного обнаружения NO2.

М. Маслов

1. S.Novikov et al., Sens. Actuators B 236, 1054 (2016).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 29920
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, графдин, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#194   morozov » Сб ноя 12, 2016 2:17

Аномальная динамика графеновых мембран

Современные модели мембран, основанные на теории упругости и учитывающие стохастические эффекты, предсказывают максвелловское распределение перпендикулярных поверхности локальных скоростей атомов. В работе [1] (США, Иран, Бельгия) методом сканирующей туннельной микроскопии изучена динамика поперечных смещений атомов углерода в мембранах из монослоев графена (рис. 1). Определив зависимость координаты z того или иного атома от времени, авторы [1] численно рассчитывали скорость этого атома. Выяснилось, что распределение по скоростям гораздо лучше описывается функцией Коши-Лоренца, чем гауссианом (рис. 2).
Изображение
Рис. 1. Схема эксперимента.
Изображение
Рис. 2. Функция распределения поперечных скоростей для различных туннельных токов. Символы – эксперимент.
Сплошные линии – подгонка под распределение Коши-Лоренца.
Моделирование 10000-атомной мембраны методом молекулярной динамики показало, что время от времени кривизна поверхности меняется на противоположную (рис. 3). Это согласуется с экспериментом и свидетельствует о так называемых блужданиях Леви, хорошо известных в теории случайных процессов.
Изображение
Рис. 3. Изменение кривизны мембраны в процессе моделирования ее поперечных колебаний методом молекулярной динамики.
1. 1. M.L.Ackerman et al., Phys. Rev. Lett. 117, 126801 (2016).

Нарушение хирального порядка в графене на медной подложке

Специфическая кристаллическая и, как следствие, электронная структура графена приводит к тому, что носителями заряда в нем являются безмассовые дираковские фермионы с коническим законом дисперсии, а щель в электронном спектре отсутствует. Для технологических приложений было бы желательно придать этим носителям конечную массу, потому что тогда в спектре графена появилась бы запрещенная зона, и он стал бы полупроводником. В работе [1] показано, что открыть в дираковских точках запрещенную зону можно, если нарушить эффективную хиральную симметрию графена. В графене на медной подложке это достигается за счет искажения связей С–С медными вакансиями, в результате чего формируется волна плотности связей (так называемый порядок Кекуле), которая нарушает симметрию относительно поворота монослоя на угол p/3. Авторы иллюстрируют свои результаты данными сканирующей туннельной микроскопии. Порядок Кекуле сохраняется при комнатной температуре и атмосферном давлении.

По материалам заметки “Heavy going”,
C.Mudry, Nature Phys. 12, 895 (2016).

1. C.Gutierrez et al., Nature Phys. 12, 950 (2016).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 29920
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Графен, графдин, фуллерены и нанотрубки

Номер сообщения:#195   morozov » Ср ноя 30, 2016 18:23

Фиолетовый и желтый

В работе [1] исследователи из Pennsylvania State Univ. (США) сообщают, что фуллерен C60 при добавлении к нему бензола образует окрашенный в фиолетовый цвет раствор. И в этом, наверное, нет ничего необычного. Интересно лишь то, что в течение семи недель этот фиолетовый раствор превращается в желтый и остается таковым уже навсегда. Чтобы разобраться в этих цветовых трансформациях, авторы привлекли на помощь компьютерное моделирование, а именно теорию функционала плотности и программу Gaussian 09. В своих расчетах они использовали распространенный функционал B3LYP с несколькими стандартными базисными наборами попловского типа и учетом дисперсионных поправок Гримме. Структурная оптимизация и расчет электронных спектров поглощения показали, что цветотрансформация происходит благодаря переориентации бензольных колец по отношению к углеродным кольцам фуллерена. Фиолетовый цвет раствора обусловлен так называемым “вертикальным” расположением молекул бензола относительно фуллереновой клетки (V-комплекс, рис. а), а желтый – “горизонтальным” расположением (H-комплекс, рис. б). При этом H-комплекс является, конечно, более термодинамически устойчивым.

Изображение

Молекулярная структура “вертикального” комплекса C60+6C6H6 (а),
который переходит в “горизонтальную” конфигурацию (б)
в течение семи недель при температуре 25 °С.


Авторы отмечают, что похожий желто-оранжевый коллоидный раствор фуллерена в воде уже упоминался в литературе. Он образуется в случае, когда слабый пурпурный раствор C60 в тетрагидрофуране впрыскивается в воду [2]. Однако в этот раз, по мнению авторов, они наблюдали нечто другое. Выпарив растворитель (бензол), они получили аморфное вещество желтого цвета. К сожалению, его количества оказалось недостаточно для проведения полноценного элементного анализа, а поскольку вещество является некристаллическим, авторы не смогли воспользоваться и рентгеноструктурными методами. Поэтому загадка “желтой субстанции” пока остается нераскрытой. Авторы продолжают работать над выделением этого соединения в достаточном для полноценных исследований количестве, однако низкая растворимость фуллеренов в бензоле вкупе с очень медленным превращением фиолетового комплекса в желтый до сих пор не позволили им добиться желаемого. Пожелаем авторам удачи, возможно, за этим фиолетово-желтым переходом скрывается новая химия фуллерена.

М. Маслов

1. M.P.Lundgren et al., J. Mol. Struct. 1123, 75 (2016).

2. S.Deguchi et al., Langmuir 17, 6013 (2001).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Ответить

Вернуться в «Дискуссионный клуб / Debating-Society»