Учёные из Омска придумали, как заставить молекулы собираться в треугольные "кирпичи"

Расположение молекул-димеров на гексагональной подложке.
Иллюстрация Павла Стишенко / ОмГТУ.

Исследователи из Омского государственного технического университета разработали метод самосборки атомов и молекул в двумерные нанообъекты, который в будущем позволит производить их в промышленных масштабах. Научная статья была опубликована в журнале Physical Review B.

Авторы разработали программный продукт, позволяющий заранее предсказать, какие наноструктуры можно искусственно получать из определённых молекул.

Учёные умеют манипулировать веществом на уровне отдельных атомов. Своеобразным достижением стала публикация в 1990 году статьи в журнале Nature, в которой описывалось, как учёные с помощью сканирующего туннельного микроскопа сумели выложить из 35 атомов ксенона буквы IBM. Сегодня разнообразные конструкции, собираемые из отдельных атомов, могут иметь размеры до десятых долей нанометров (для сравнения – размер одной молекулы воды около 0,3 нанометров).

Такие структуры уже находят применение в целом спектре практических приложений. Благодаря им создают новую электронику, всевозможные точные и надёжные датчики типа "электронный нос" и катализаторы для химической промышленности. Наконец, манипулирование веществом с атомарной точностью находит широкое применение в медицине – при целевой доставке лекарств.

На атомном уровне можно сделать множество различных объектов, буквально водя иглой микроскопа по поверхности подложки и выстраивая атомы в нужном порядке. Проблема в том, что такой метод не позволяет производить необходимые наноразмерные объекты массово, поэтому для их практического применения необходим процесс, который будет собирать такие конструкции автоматически, – метод самосборки.

"В природе мы видим этот процесс в ДНК – очень сложной конструкции, которая сама собирается с точностью до атома в огромных количествах в живых организмах", – поясняет старший научный сотрудник ОмГТУ Павел Стишенко.

Сымитировав аналогичные процессы, учёные смогут собирать то, что им нужно: различные конструкции необходимых размеров, всевозможные нанотрубки, которые в настоящее время изготавливаются довольно грубо.

Проблема в том, что в процессе самосборки основным фактором являются квантовые силы, которые описывает уравнение Шрёдингера. Решить его почти всегда очень сложно.

"Мы разработали инструментарий, который позволяет исследовать процессы самосборки на компьютере, не проводя сложные, долгие и дорогие эксперименты", – поясняет Стишенко.

В своей работе учёные применили разработанные ранее программы, алгоритмы и методы для исследования димерных молекул на подложке, имеющей ячеистую структуру (яркий пример такой структуры – графен). Димерами называются похожие на гантели молекулы, состоящие из двух одинаковых элементов (атомов, радикалов, групп), соединённых химической связью.

Молекулы-димеры могут образовывать на поверхности конструкции, интересные тем, что в них наблюдается так называемая "чёртова лестница" фазовых переходов. Поясним. Привычная нам вода имеет три чётко разделяемые фазы: лёд, пар и жидкое состояние. В отличие от неё, некоторые вещества, как выяснилось, могут обладать бесконечным количеством довольно устойчивых фаз – конкретных структур, формирующихся на поверхности. Термин "чёртова лестница" иллюстрирует собой график фазовых переходов, который в этом случае похож на лестницу конечной длины с бесконечным количеством ступенек.

В случае димеров вся поверхность оказывается разбитой на треугольники. Такая фаза наиболее энергетически выгодна, то есть имеет наименьшую энергию. Треугольная форма при этом диктуется симметрией решётки, на которой происходит самосборка.

Поскольку размеры треугольников могут быть любыми (сторона может состоять из двух, трёх, пяти и иного количества молекул), есть бесконечное число способов "замостить" ими поверхность. Учёные показали, что при создании наноразмерных структур размеры треугольников легко варьировать, всего лишь изменяя внешние условия самосборки, например, меняя давление газа. В параметры модели закладывается геометрия выбранных молекул и энергия их взаимодействия между собой, на выходе получается набор возможных фаз вещества, полученных в процессе самосборки.

"Меняя всего один макроскопический параметр, давление, мы можем получать разные фазы вещества, – объясняет Стишенко. – По сути, мы нашли способ делать треугольные кирпичи, из которых в будущем можно сделать что угодно в любых количествах".

Найдя способ реализации процессов самосборки на поверхности, учёные надеются перейти от "нанонауки" к нанотехнологиям, которые смогут давать конечный продукт – наноразмерные объекты в нужных количествах.

Напомним, что "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) ранее писали о том, как химики МФТИ научили искусственный интеллект предсказывать свойства металла.

Сегодня