Долгое время создание двумерных металлов оставалось недостижимой мечтой для ученых. В 2024 году исследователи впервые получили лист золота толщиной в один атом, назвав его «голденом». Но золото — мягкий и пластичный металл. Попытки повторить успех с другими материалами, такими как висмут или олово, проваливались: атомы слипались, образуя комки, или окислялись при контакте с воздухом.
Проблема кроется в нестабильности. Одиночный слой атомов металла сворачивался или соединялся с соседними частицами. Ученые искали способ «зафиксировать» структуру, но традиционные методы вроде химического осаждения или механического расслаивания не работали для большинства металлов.
Прорыв совершила команда химиков из Китая под руководством Лоцзюнь Ду (Luojun Du) из Китайской академии наук. Исследователи разработали технологию, которая позволяет получать двумерные металлические пластины толщиной от двух до четырех атомов.
Статья по теме: Химики научились добывать золото из старой электроники с помощью молочной сыворотки
Ученые использовали две идеально ровные сапфировые пластины, между которыми помещали тонкий слой дисульфида молибдена (MoS₂), выполнявшего роль своеобразных губок. Затем в центр засыпался металлический порошок. При нагреве до 400 градусов Цельсия он превращался в каплю, которую тут же сжимали под давлением до 200 мегапаскалей — в 2000 раз выше атмосферного.
Ученые превратили капли расплавленного металла в плоские листы толщиной всего два атома. Для этого они использовали два сапфировых кристалла с идеально гладкой поверхностью. Между ними поместили порошок металла, нагрели до 400 градусов Цельсия, а затем сдавили при давлении до 200 мегапаскалей — это в 2000 раз выше атмосферного.
После охлаждения ученые получили металлические пластины, запечатанные между слоями MoS₂. Последние отделялись от сапфиров, оставляя тонкий металлический лист.
Метод сработал для пяти металлов: висмута, галлия, индия, олова и свинца. Толщину пластин можно регулировать, меняя давление. Например, для висмута минимальная толщина составила два атома (0.7 нанометра), а для олова — четыре атома (1.5 нанометра).
Статья по теме: Ученые нашли материал, который поможет защитить картины и скульптуры от разрушений
По словам Ду, идея метода возникла восемь лет назад, но только недавно исследователи обнаружили, что именно дисульфид молибдена стабилизирует тончайшие металлические слои. Без этого материала атомы металла просто бы разрушались под действием термодинамических сил.
Исследователи предположили, что двумерные металлы помогут в изучении квантовых явлений, создании сверхпроводников и разработке электроники с ультранизким энергопотреблением. Кроме того, такие материалы могут применяться в прозрачных дисплеях и в качестве катализаторов химических реакций.
Есть и трудности. Главный недостаток технологии — остатки дисульфида молибдена на поверхности металла. Они мешают использовать материал в некоторых областях, например, в катализе. Однако эксперименты показали, что MoS₂ не влияет на электропроводность, поэтому для электроники это не станет препятствием.
Метод сапфирового пресса — не просто лабораторный эксперимент. Он предлагает простой и универсальный способ получать сверх тонкие металлы, которые раньше считались нестабильными. Уже через десятилетие такие материалы могут стать основой для компактных гаджетов, экологичных производств и прорывов в энергетике.
Выводы исследователей представлены в статье, опубликованной в журнале Nature.