Как стрелять снарядами через материалы, ничего не сломав

 

Графическая абстракция. (Фото: phys.org)

Когда заряженные частицы простреливают сверхтонкие слои материала, иногда происходят впечатляющие микровзрывы, а иногда материал остается практически целым. Причины этого теперь объяснили исследователи из TU Wien.

Это немного похоже на фокус: некоторые материалы можно простреливать быстрыми электрически заряженными ионами без образования дыр. То, что было бы невозможно на макроскопическом уровне, разрешено на уровне отдельных частиц. Однако не все материалы ведут себя в таких ситуациях одинаково — в последние годы разные исследовательские группы проводили эксперименты с очень разными результатами.

В TU Wien (Вена, Австрия) теперь удалось найти подробное объяснение того, почему одни материалы перфорированы, а другие нет. Это интересно, например, для обработки тонких мембран, которые должны иметь специальные нанопоры, чтобы улавливать, удерживать или пропускать очень специфические атомы или молекулы.

Ультратонкие материалы: графен и его аналоги

«Сегодня существует целый ряд ультратонких материалов, состоящих всего из одного или нескольких атомных слоев», — говорит профессор Кристоф Лемелл из Института теоретической физики Венского технического университета. «Вероятно, самым известным из них является графен, материал, состоящий из одного слоя атомов углерода. Но сегодня во всем мире проводятся исследования и других сверхтонких материалов, таких как дисульфид молибдена».

В исследовательской группе профессора Фридриха Омайра из Института прикладной физики Венского технологического университета такие материалы бомбардируют особыми снарядами — высокозаряженными ионами. Они берут атомы, обычно благородные газы, такие как ксенон, и лишают их большого количества электронов. Это создает ионы с электрическим зарядом в 30-40 раз больше. Эти ионы ускоряются, а затем ударяются о тонкий слой материала с высокой энергией.

«Это приводит к совершенно разным эффектам в зависимости от материала, — говорит Анна Ниггас, физик-экспериментатор из Института прикладной физики. место удара также полностью разрушается, многочисленные атомы смещаются и образуется отверстие диаметром в несколько нанометров».

Скорость электронов

Эти различия можно объяснить тем, что за пробоины в основном отвечает не импульс снаряда, а его электрический заряд. Когда ион с множественным положительным зарядом попадает на слой материала, он притягивает большее количество электронов и уносит их с собой. Это оставляет положительно заряженную область в слое материала.

Какой эффект это имеет, зависит от того, насколько быстро электроны могут двигаться в этом материале. «Графен обладает чрезвычайно высокой подвижностью электронов. Таким образом, этот локальный положительный заряд может быть уравновешен там за короткое время. Электроны просто притекают откуда-то еще», — объясняет Кристоф Лемелл.

Однако в других материалах, таких как дисульфид молибдена, дело обстоит иначе: там электроны медленнее, их нельзя вовремя доставить извне к месту удара. И вот в месте удара происходит мини-взрыв: положительно заряженные атомы, у которых снаряд забрал свои электроны, отталкиваются друг от друга, разлетаются — и это создает нанопору.

«Теперь мы смогли разработать модель, которая позволяет нам очень хорошо оценивать, в каких ситуациях образуются дыры, а в каких нет — и это зависит от подвижности электронов в материале и состояния заряда снаряда», — говорится в сообщении. Александр Сагар Гроссек, первый автор публикации в журнале Nano Letters.

Модель также объясняет тот удивительный факт, что атомы, выбитые из материала, движутся относительно медленно: высокая скорость снаряда для них не имеет значения; они удаляются из материала электрическим отталкиванием только после того, как снаряд уже прошел через слой материала. И в этом процессе не вся энергия электрического отталкивания передается распыляемым атомам — большая часть энергии поглощается оставшимся веществом в виде колебаний или тепла.

И эксперименты, и моделирование проводились в Техническом университете Вены. Полученное в результате более глубокое понимание процессов на поверхности атомов может быть использовано, например, для специального оснащения мембран специальными «нанопорами». Например, можно построить «молекулярное сито» или контролировать определенные атомы. Есть даже мысли использовать такие материалы для фильтрации СО2 из воздуха. «Благодаря нашим открытиям мы теперь имеем точный контроль над манипулированием материалами на наноуровне. Это впервые дает совершенно новый инструмент для манипулирования ультратонкими пленками с точным вычислением», — говорит Александр Сагар Гроссек.

Источник