Российские ученые из Омского государственного технического университета разработали метод самосборки атомов и молекул в двумерные нанообъекты. С помощью компьютерной программы можно заранее предсказать, какие структуры можно получать из определенных молекул, что в будущем позволит производить их в промышленных масштабах для множества разных задач. Работа была выполнена в рамках гранта Российского научного фонда (РНФ) и опубликована в журнале Physical Review B.

Ученые уже умеют манипулировать веществом на уровне отдельных атомов. Своеобразным достижением стала публикация в 1990 году статьи в журнале Nature, в которой описывалось, как ученые с помощью сканирующего туннельного микроскопа сумели выложить из 35 атомов ксенона буквы IBM. Сегодня разнообразные конструкции, которые искусственно собирают из отдельных атомов, могут иметь размеры до десятых долей нанометров (для сравнения – размер одной молекулы воды около 0,3 нанометра). Такие структуры уже широко применяются на практике. Благодаря им создают новую электронику, всевозможные точные и надежные датчики типа «электронный нос» и катализаторы для химической промышленности. Наконец, манипулирование веществом с атомарной точностью находит широкое применение в медицине — при целевой доставке лекарств.

При конструировании структур с точностью до атома в них начинают проявляться интересные квантовые свойства. На атомном уровне можно сделать множество различных объектов, буквально водя иглой микроскопа по поверхности подложки и выстраивая атомы в нужном порядке. Проблема в том, что такой метод не позволяет производить необходимые наноразмерные объекты массово, поэтому для их практического применения необходим процесс, который будет собирать такие конструкции автоматически, — метод самосборки.

«В природе мы видим этот процесс в ДНК — очень сложной конструкции, которая сама собирается с точностью до атома в огромных количествах в живых организмах, — поясняет старший научный сотрудник Омского государственного технического университета Павел Стишенко. — Мы разработали инструментарий, который позволяет исследовать процессы самосборки на компьютере, не проводя сложные, долгие и дорогие эксперименты».

В своей работе ученые применили разработанные ранее программы, алгоритмы и методы для исследования димерных молекул на подложке, имеющей похожую на соты структуру (яркий пример такой структуры — графен). Димерами называются молекулы, состоящие из двух одинаковых элементов (атомов, радикалов, групп), они имеют осевую симметрию и два активных центра, что делает их похожими на гантели.

Молекулы-димеры могут образовывать на поверхности системы, интересные тем, что в них наблюдается так называемая «чертова лестница» фазовых переходов. У привычной нам воды три четко разделяемые фазы: лед, пар и жидкое состояние. В отличие от нее, некоторые вещества, как выяснилось, могут обладать бесконечным количеством довольно устойчивых фаз — конкретных структур, формирующихся на поверхности. Термин «чертова лестница» иллюстрирует собой график фазовых переходов, который в этом случае похож на лестницу конечной длины с бесконечным количеством ступенек.

В случае димеров вся поверхность оказывается разбитой на треугольники. Такая фаза наиболее энергетически выгодна, то есть имеет наименьшую энергию. Треугольная форма при этом диктуется симметрией сотовой решетки, на которой происходит самосборка. Поскольку размеры треугольников могут быть любыми (сторона может состоять из двух, трех, пяти и иного количества молекул), есть бесконечное число способов «закрыть» ими поверхность. Ученые показали, что при создании наноразмерных структур размеры треугольников легко варьировать, всего лишь изменяя внешние условия самосборки, например, меняя давление газа. В параметры модели закладывается геометрия выбранных молекул и энергия их взаимодействия между собой, на выходе получается набор возможных фаз вещества, полученных в процессе самосборки.

«Меняя всего один макроскопический параметр, давление, мы можем получать разные фазы вещества, — пояснил Стишенко. — По сути, мы нашли способ делать треугольные кирпичи, из которых в будущем можно сделать что угодно в любых количествах».