Ученые смяли материал толщиной в атом — и открыли новый способ управления электричеством

Исследователи из США и Великобритании обнаружили, что почти невидимое изменение формы графена — чрезвычайно тонкого материала — может драматически повлиять на то, как через него проходит электричество. В исследовании, опубликованном в журнале «Advanced Materials», было установлено, что складки размером менее миллиардной доли метра способны изменять электрические свойства материала. Это открытие может в будущем позволить создавать электронные компоненты, в которых можно управлять током посредством изгиба и придания формы, без необходимости изменения химического состава.

Графен — это чрезвычайно тонкий материал, состоящий из углерода. Его поверхность имеет толщину всего в один слой атомов. Несмотря на крошечные размеры, это очень прочный материал, обладающий высокой электропроводностью, поэтому ученые уже много лет изучают его потенциал для будущих технологий.

В новом исследовании ученые стремились проверить, что происходит, когда поверхность не является идеально ровной. Они изучили крошечные естественные складки в графене размером менее миллиардной доли метра и обнаружили, что даже небольшая деформация заметно влияет на прохождение электричества в этой области.

Складки можно представить как своего рода крошечные «лежачие полицейские» для электрического тока. Когда графен резко изгибается, электрические заряды внутри него смещаются. В результате в области складки образуется сторона с зарядом одного типа, а напротив — сторона с противоположным зарядом, подобно крошечной батарейке.

«Представьте, что вы сгибаете гибкую линейку, но изгиб сжат в пространстве менее миллиардной доли метра, — объяснил Сатвик Аджай Айенгар, руководивший исследованием во время работы в Университете Райса. — В этом масштабе электроны в графене смещаются в одну сторону и создают два противоположных электрических полюса, как концы крошечной батарейки».

Исследователи обнаружили, что электрический эффект, возникающий в складках, был особенно сильным. Измеренная поляризация достигала интенсивности, в 10 миллионов раз превышающей ту, что наблюдалась в гораздо более крупных системах. Также выяснилось, что самым важным фактором является не размер складки, а степень ее остроты.

«Оказалось, что острота складки гораздо важнее, чем ее общий размер, — сказал Айенгар. — Это означает, что мы, возможно, сможем настраивать электрическое поведение посредством точного контроля кривизны в нанометровом масштабе».

Возможное значение заключается в том, что в будущем то, что выглядит как дефект материала, станет полезным инструментом. Если ученым удастся создавать точные складки в нужных местах, они смогут определять, как электричество будет проходить внутри компонента, только за счет его формы. Это может быть особенно полезно в датчиках и сверхтонких электронных устройствах.

Профессор Пуликел Аджаяни из Университета Райса пояснил: «Наша работа показывает, что даже обычная складка может стать выдающейся электронной характеристикой, если смотреть на нее в атомном масштабе». По его словам, возможность проектировать материалы с помощью их физической структуры, вместо добавления других веществ, открывает новые горизонты.

Тем не менее, это фундаментальное исследование. Из-за крошечного размера складок ученые полагались на компьютерные модели для подтверждения своих измерений. Дальнейшие исследования должны будут проверить, можно ли управлять эффектом достаточно точно для использования в реальных технологиях.

Идея о том, что изгиб графена может вызвать электрическое изменение, была предложена почти 20 лет назад, но до сих пор было трудно получить прямые доказательства. Новое исследование позволяет детально изучить, как крошечное искривление влияет на электричество в материале.

Графен вызывает большой научный интерес благодаря сочетанию тонкости, прочности и способности проводить электричество. Новизна текущего исследования заключается в понимании того, что сама форма может стать инструментом управления свойствами материала. Вместо изменения состава, в будущем можно будет создавать складки и изгибы в запланированных точках, определяя функционал электронного компонента.

Как резюмировал Айенгар: «Природа уже создает для нас эти крошечные складки. Понимание того, как они влияют на электрическое поведение, дает ученым еще один инструмент для проектирования будущих технологий с помощью структуры самого материала».