Современные 2D-материалы состоят из одноатомных слоев, в которых электроны могут двигаться в двух измерениях, но их движение в третьем измерении ограничено. Благодаря такому «сжатию» 2D-материалы обладают улучшенными оптическими и электронными свойствами, которые показывают большие перспективы в качестве ультратонких устройств следующего поколения в областях энергетики, связи, визуализации и квантовых вычислений, среди прочего.
Как правило, для всех этих приложений 2D-материалы представляют собой плоские конструкции. К сожалению, прочность этих материалов также является их самым большим недостатком – они очень тонкие.
Это означает, что когда они освещены, свет может взаимодействовать с ними только на крошечной толщине, что ограничивает их полезность. Чтобы преодолеть этот недостаток, исследователи начинают искать новые способы складывать 2D-материалы в сложные 3D-формы.
В нашей трехмерной вселенной двухмерные материалы можно размещать друг на друге.
Если продолжить метафору Флатландии, такое расположение будет в буквальном смысле представлять параллельные миры, населенные людьми, которым суждено никогда не встретиться.
Теперь ученые из физического факультета Университета Бата в Великобритании нашли способ упорядочить 2D-листы WS2 (ранее созданные в их лаборатории) в 3D-конфигурацию, в результате чего энергетический ландшафт сильно изменился по сравнению с листы WS2 плоской укладки.
Эта конкретная трехмерная структура известна как «наномеш»: перепончатая сеть из плотно упакованных, случайно распределенных стопок, содержащих скрученные и / или сплавленные листы WS2.
Подобные модификации во Флатландии позволят людям ступать в миры друг друга. «Мы не намеревались причинить беспокойство жителям Флатландии, – сказал профессор Венцислав Валев, руководивший исследованием, – но из-за множества дефектов, которые мы нанесли с помощью наноинженерии в 2D-материалы, эти гипотетические жители сочли бы свой мир действительно довольно странным.
"Во-первых, наши листы WS2 имеют конечные размеры с неровными краями, поэтому их мир будет иметь конец странной формы. Кроме того, некоторые из атомов серы были заменены кислородом, что было бы неправильно для любого жителя.
Что наиболее важно, наши листы пересекаются и сливаются вместе и даже скручиваются друг на друга, что изменяет энергетический ландшафт материалов. Для жителей Флатландии такой эффект выглядел бы так, как будто законы Вселенной внезапно изменились по всему их ландшафту."
Доктор Аделина Илие, которая разработала новый материал вместе со своим бывшим аспирантом и доктором Зичен Лю, сказала: «Измененный энергетический ландшафт является ключевым моментом для нашего исследования. Это доказательство того, что сборка 2D-материалов в 3D-структуру не только приводит к получению «более толстых» 2D-материалов, но и дает совершенно новые материалы.
Наш nanomesh технологически прост в производстве, и он предлагает настраиваемые свойства материала для удовлетворения требований будущих приложений."
Профессор Валев добавил: «Наномеш имеет очень сильные нелинейно-оптические свойства – он эффективно преобразует один лазерный цвет в другой в широкой палитре цветов. Наша следующая цель – использовать его на Si-волноводах для развития квантовой оптической связи."
Аспирант Александр Мерфи, также участвовавший в исследовании, сказал: «Чтобы выявить измененный энергетический ландшафт, мы разработали новые методы определения характеристик, и я с нетерпением жду возможности применить их к другим материалам. Кто знает, что еще мы могли открыть?"