Эра двумерных кристалов: что может графен
В феврале этого года начнется отборочный тур международной олимпиады по анализу данных IDAO. Задача первого тура будет посвящена предсказанию свойств двумерных кристаллов различных конфигураций. Чтобы разобраться, что же такое двумерные кристаллы и причем тут анализ данных, мы поговорили с Андреем Устюжаниным, председателем экспертной комиссии и заведующим лабораторией LAMBDA ФКН НИУ ВШЭ.
Развитие человечества непрерывно связано с поиском и разработкой новых материалов — недаром каждый новый век имеет свое название (каменный, железный и так далее). Сначала были обычные камни, которыми было удобнее отбиваться от хищников; потом произошло открытие огня — и люди начали учиться применять его к разным материалам. Так прошли тысячи лет, и сегодня, в XXI веке, уже сложно дать нашему времени какую-то однозначную характеристику (хотя некоторые, например, говорят, что сегодня век кремния). Пока неясно, какими материалами будет обозначено будущее — но есть мнение, что грядущий век станет веком двумерных материалов.
Двумерные кристаллы, или как они называются на английском, 2D materials — это плоские материалы, существующие в один слой. Еще со школы мы привыкли к формату объемных кристаллических решеток, но что, если от этой решётки оставить только одну плоскость? Тогда фактически кристалл превратится в пленку. Одним из самых известных материалов такого рода является графен, открытый Константином Новоселовым и Андреем Геймом в 2004 году.
Связи, по которым электроны могут переходить — это только их соседи, находящиеся по краям, на том же слое. Такое ограничение снижает подвижность электронов и, как следствие, существенно влияет на такие свойства кристаллов как электропроводность, оптические и каталитические свойства. Области применения двумерных кристаллов практически безграничны. Первыми на ум приходят электронные компоненты (внося небольшие изменения в структуру атомов таких материалов можно превращать диэлектрики в полупроводники), также двумерные материалы можно использовать в медицине, в построении фотооптических систем, в нефтегазовой промышленности.
Свойства
Наиболее всего двумерные кристаллы интересны своими необычными свойствами, определяющим практические характеристики вещества. Например, нам может быть важна скорость протекания определенной реакции и то, как двумерный материал будет на нее влиять: при очищении нефтепродуктов можно добавить в них определенные кристаллические пленки, и за счет большой площади они смогут серьезно повлиять на скорость реакций очистки.