Физики из университета Кёльна нашли способ управлять силой ван-дер-ваальсовых взаимодействий между графеном и другими молекулами за счет специальных добавок. Это самый распространенный тип взаимодействий, который существует между любыми молекулами. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.

Авторы манипулировали ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями с помощью допирования графена различными типами примесей. В эксперименте физики использовали монослой графена, нанесенный на металлическую подложку. Атомы примесей располагались между наноматериалом и подложкой, чтобы не оказывать непосредственное влияние на открытую поверхность образца.

Затем физики поместили графен в атмосферу паров нафталина. В этих условиях часть молекул адсорбировалась на поверхности монослоя углерода благодаря ван-дер-ваальсовым связям. Из-за того, что эти связи обладают невысокой энергией, процесс отрыва их от поверхности происходит при нагревании, причем,чем слабее связь, тем меньшие температуры нужны для отрыва молекул.

Молекула нафталина над графеном. Изображение: Nicolae Atodiresei/Forschungszentrum Jülich

Авторы сравнили температуры, необходимые для разных типов допантов — доноров электронов, привносящих в графен избыточную электронную плотность, и акцепторов, наоборот стягивающих на себя электроны графена. Оказалось, что доноры электронов увеличивали силу связи между молекулой нафталина и двумерным материалом, а акцепторы — наоборот, уменьшали.

Ученые объясняют этот эффект с помощью теоретических вычислений. Компьютерное моделирование показывало, что донорные примеси приводят к расширению электронных оболочек атомов углерода. Это увеличивает их поляризуемость — способность создавать избыточный электрический заряд за счет перераспределения электронной плотности.

Силы Ван-дер-Ваальса возникают благодаря поляризации электронных оболочек атомов, оказавшихся достаточно близко друг к другу. Они гораздо слабее, чем традиционные химические связи — ковалентная и водородная,но именно благодаря им тяжелые углеводороды, например, парафины, оказываются твердыми веществами.

Автор: Владимир Королёв