Комбинация неорганических наночастиц и органических молекул позволяет изготавливать новые материалы с уникальными свойствами. Например, внедрение наночастиц в тонкие полимерные пленки приводит к существенному улучшению их термохимических характеристик [S.M.Liff et al, Nature Mater. 6, 76 (2007)].

Объемная доля наночастиц в таких композитах обычно мала, и они расположены друг относительно друга нерегулярным образом. Это приводит к тому, что длинные полимерные цепочки, образующие матрицу, перепутываются между собой, вследствие чего прочность композита падает.

Авторы работы [K.E.Mueggenburg et al, Nature Mater. 6, 656 (2007)] приготовили нанокомпозит, соответствующий противоположному предельному случаю: в нем сферические наночастицы Au образуют плотноупакованный квазидвумерный монослой и прочно сцеплены друг с другом посредством молекул додекантиола (ДТ). Расстояние между соседними наночастицами (1.7 нм) намного меньше их диаметра (6 нм), и поэтому молекулы ДТ, соединяющие разные наночастицы, не перепутываются. Это приводит к значительному увеличению прочности монослоя. Если такой монослой сформировать на подложке, в которой предварительно проделано круглое отверстие диаметром ~ 1 мкм, то на отверстии образуется мембрана (см. рис. 1 и 2).

Рис.1. Схематическое изображение монослоя из наночастиц Au и молекул ДТ (dodecanethiol), закрывающего отверстие в подложке Si₃N₄.

Рис.2. Изображение мембраны Au/ДТ диаметром 500 нм, полученное методом просвечивающей электронной микроскопии. Темная окружность на периферии мембраны соответствует вертикальной («ниспадающей») части монослоя на краях отверстия, см. рис.1.

Измерения, выполненные с помощью атомного силового микроскопа, показали, что такие мембраны хоть и тонкие, но очень прочные: их модуль Юнга в среднем составляет около 6 ГПа. Высокая прочность мембран прекрасно сочетается с их эластичностью: изгиб под прямым углом вблизи краев отверстия имеет место на длине ~ 10 нм (несколько диаметров наночастиц) Мембраны сохраняют свои упругие свойства при нагревании (механические повреждения после воздействия иглы микроскопа отсутствуют вплоть до T ≈ 400 К).

Этот результат довольно неожиданный, поскольку теория [U.Landman, W.D.Luedtke, Faraday Discuss. 125, 1 (2004)] предсказывает плавление сверхрешеток Au/ДТ при T ≈ 350 К. Такая термостойкость обусловлена, по-видимому, тем, что край мембраны жестко фиксирован, и поэтому расстояние между наночастицами при нагревании почти не изменяется. В отличие от большинства полимеров, системы плотноупакованных наночастиц проводят электрический ток (за счет туннельного механизма). Поскольку туннельное сопротивление экспоненциально зависит от расстояния между наночастицами, наномембраны можно использовать в качестве очень чувствительных электронных датчиков давления.

Автор: Л.Опенов