Ученые НИЯУ МИФИ придумали, как стабилизировать пористые материалы на основе гетероструктур из графена и борофена. По их мнению, новые материалы смогут найти применение в качестве анодов и катодов в батареях, а изготовленные из них мембраны станут основой высокопроизводительных эффективных фильтров.
Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом журнале Materials Today Nano. Графен — это двумерный материал, кристалл которого образован монослоем из атомов углерода. Аналог графена борофен — это также двумерный материал, построенный исключительно из атомов бора. Срастаясь друг с другом посредством прочного ковалентного взаимодействия, два листа этих материалов, каждый толщиной в один атом, образуют композит или бислой, сообщил молодой ученый, доктор физико-математических наук, профессор Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике НИЯУ МИФИ Михаил Маслов.
«Если в таком бислое создать отверстия-поры, то получившийся материал будет обладать колоссальными перспективами для приложений, связанных с энергетикой или осмосом. Он сможет найти применение в качестве анодов и катодов в батареях, а изготовленные из него мембраны с высокой селективностью и проницаемостью в отношении определенных частиц станут основой высокопроизводительных эффективных фильтров», — рассказал он.
Однако, по мнению ученых НИЯУ МИФИ, технологические процессы изготовления пор в бислое могут привести к разрушению или существенной перестройке атомной конфигурации материала, что отрицательно скажется на его характеристиках. Чтобы решить эту проблему, исследователи придумали, как стабилизировать подобные пористые двухслойные структуры без существенного изменения морфологии при помощи пассивации атомарным водородом.
«С помощью компьютерного моделирования, без привлечения дорогостоящих экспериментов мы продемонстрировали, что в отсутствие водорода наблюдается структурный фазовый переход от пористого графена к графенилену — двумерной сетке атомов углерода, построенной из четырех-, шести- и двенадцатичленных углеродных колец. В то же время пассивация сохраняет структуру и желаемые свойства изначального бислоя», — сообщил Михаил Маслов.
Кроме этого, ученые провели дополнительный анализ равновесных электронных, упругих, пьезоэлектрических и оптических свойств бислоя графен-борофен и оценили его динамическую и энергетическую устойчивость для понимания поведения этого материала в реальных устройствах.
«Выяснилось, что он обладает полупроводниковой щелью в электронной зонной структуре, а также проявляет одновременный пьезоэлектрический отклик в и вне плоскости», — отметил Маслов. В ближайшее время ученые планируют провести более детальное исследование свойств пористого бислоя графен-борофен, в частности, их интересуют вопросы дефектообразования. Также, по их словам, с технологической точки зрения важно знать форму и оптимальные размеры энергетически выгодных вакансий в борофен-графене, их зарядовые и механические характеристики.
Авторы рассчитывают на практическое внедрение этого пористого материала уже в течение ближайших 5-6 лет, так как композит борофен-графен уже синтезирован, а создать в нем поры можно с применением современных нанотехнологий.