Китайские учёные впервые довели длину синтезированной «металлической нити» диаметром в один атом до микрометрового уровня. При пропорциональном масштабировании диаметра и длины это эквивалентно четырёхметровому медному проводу бытового назначения.
Команда Ли Ко из Пекинского центра исследований высоких давлений применила инновационную стратегию высокобарической твердофазной топохимической полимеризации, впервые в мире синтезировав микрометровые по длине, атомарные по толщине и структурно стабильные углерод-обёрнутые цепочки из одиночных атомов металла. Результаты были опубликованы 21 августа в международном академическом журнале Science.
На рисунке показана схема процесса синтеза микрометровой углерод-обёрнутой цепочки из одиночных атомов металла. (Иллюстрация исследовательской группы) Цепочку из одиночных атомов металла можно представить как «самую тонкую одномерную металлическую нить» в мире — её диаметр составляет всего один атом, что делает её идеальным объектом для изучения низкоразмерных физических закономерностей микромира. «Однако разработка таких материалов долгое время сталкивалась с недостатками: одни методы синтеза возможны лишь в условиях сверхвысокого вакуума и вне этой среды легко разрушаются; другие позволяют получать стабильные образцы, пригодные для массового производства, но длина атомных цепочек ограничена. Длина цепочки, стабильность и возможность массового производства трудно совместимы, что сдерживает потенциал соответствующих фундаментальных исследований и применений», — отметил Ли Ко.
Главный прорыв этого достижения заключается в продвижении предела синтеза цепочек из одиночных атомов металла до микрометрового уровня. С помощью пресса Париж—Эдинбург команда получила крупноразмерные монокристаллы углерод-обёрнутых цепочек из одиночных атомов меди в массовом количестве; длина отдельной выделенной атомной цепочки превышает 1 микрометр, что позволяет последовательно соединять более 4000 атомов меди — это более чем на два порядка превышает длину образцов, ранее полученных в международной практике. Данный метод синтеза также применим к кобальту, никелю, цинку и другим металлам.
Чтобы удержать эту чрезвычайно тонкую атомарную «металлическую нить», исследовательская группа предложила новую идею. «Подобно тому, как хрупкую нить помещают в прочную защитную оболочку, мы выбрали в качестве исходного материала кристаллы β-фталоцианина меди. Под высоким давлением, точно сжимая межмолекулярные расстояния и достигая критических условий, периферийные молекулярные кольца исходного материала соединяются и полимеризуются, образуя плотный и прочный углеродный "защитный чехол", который надёжно обёртывает и фиксирует внутренний ряд упорядоченных атомов меди», — пояснил Ли Ко.
Исследование выполнено Пекинским центром исследований высоких давлений совместно с Нанькайским университетом, Пекинским университетом и другими организациями. «Сверхтонкие металлические нити атомарного масштаба могут стать новым материалом для следующего поколения наноэлектронных схем, гибких носимых электронных устройств и открыть новые пути для разработки новых низкоразмерных функциональных материалов в Китае», — заявил Мао Хэгуан, всемирно известный учёный в области физики высоких давлений, академик Китайской академии наук.