Репортаж от Wedoany，Исследователи Университета Аризоны (University of Arizona) обнаружили, что интеграция графеновых нанолент в полупроводниковые устройства и их воздействие гамма-излучением позволяет использовать эти наноленты в качестве передовых датчиков радиации для термоядерных реакторов и глубокого космоса. Соответствующие результаты опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
Исследовательская группа интегрировала графеновые наноленты (GNRs) в полупроводниковые устройства и протестировала их реакцию на гамма-излучение. Экспериментальные результаты показали, что эти наноленты способны работать в экстремальных условиях, таких как термоядерные реакторы и глубокий космос, где интенсивное излучение создает проблемы для существующих кремниевых датчиков. Исследователи отметили, что тщательный мониторинг деградации материалов помогает поддерживать надежную работу критически важных систем в таких средах. Ведущий исследователь, доцент кафедры материаловедения и инженерии инженерного факультета Университета Аризоны Зафер Мутлу, заявил, что устройства выжили и реагировали после воздействия радиации, но их электрические свойства значительно изменились.
В области термоядерной энергетики датчики на основе GNR могут помочь в разработке чистой, практически неисчерпаемой термоядерной энергии, улучшив способ инженеров контролировать состояние первой стенки ядерного реактора. Первая стенка — это самый внутренний барьер, отделяющий перегретое топливо от конструкции реактора, который постепенно деградирует под воздействием сильного излучения и требует регулярного осмотра и замены. В настоящее время, когда инженеры отслеживают такие повреждения, существующие кремниевые датчики не могут выжить внутри первой стенки и должны размещаться снаружи барьера, полагаясь только на косвенные измерения и физические проверки после остановки, что дорого и требует много времени.
Эксперименты с гамма-облучением показали, что атомная структура нанолент остается нетронутой, одновременно генерируя сильный и измеримый электрический отклик. Это открытие указывает на то, что датчики на основе GNR могут быть спроектированы для работы ближе к активной зоне реактора, чем существующие электронные устройства, тем самым сокращая время простоев, связанных с проверками и техническим обслуживанием, и увеличивая время работы термоядерных электростанций.
Это первое исследование реакции графеновых нанолент на гамма-излучение. Ранее GNRs широко изучались для продвижения чиповой технологии за пределы возможностей кремния благодаря их микроскопическим размерам и выдающейся долговечности. Несколько лет назад исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (Pacific Northwest National Laboratory, PNNL) Министерства энергетики США добавили графен в электротехническую медь и обнаружили, что он снижает температурный коэффициент сопротивления металла, не снижая электропроводность при комнатной температуре. Также было обнаружено, что графен улучшает характеристики литий-ионных аккумуляторов, повышая плотность энергии и улучшая циклическую стабильность.
В исследовании Университета Аризоны команда под руководством Мутлу синтезировала наноленты на молекулярном уровне, а затем встроила их в обычные полупроводниковые устройства. Они использовали новую производственную технологию, в результате которой ширина нанолент составляла около девяти атомов, толщина — один атом, а длина — около 45 нанометров, что в десятки тысяч раз тоньше человеческого волоса. Мутлу пояснил, что эти крошечные наноленты подчиняются законам квантовой, а не классической физики. При отсутствии излучения ток течет через GNRs четко определенным образом. Измерения исследователей показали, что гамма-излучение, проходящее через окружающий воздух, создает реактивные молекулы, которые изменяют края нанолент, не затрагивая общую структуру. В этом масштабе квантовые эффекты усиливают влияние незначительных изменений на передачу электрического сигнала.
Исследователи полагают, что эти изменения вызывают квантовый эффект, известный как андерсоновская локализация (Anderson localization), который захватывает подвижные электроны, резко уменьшая ток и создавая измеримый сигнал воздействия радиации, что может предоставить более точные данные для планирования технического обслуживания реактора.
Исследователи Университета Аризоны сотрудничают с промышленными партнерами, стремясь масштабировать ключевую технологию и доставлять термоядерную электроэнергию в электросеть. Исследователи также считают, что датчики GNR могут предоставлять данные о состоянии здоровья для космических систем, включая спутники связи, спутники наблюдения Земли и глубоководные зонды, выявляя ранние признаки радиационного износа до возникновения неисправностей, что имеет решающее значение для поддержания надежности критически важной космической инфраструктуры.
Мутлу и его коллеги планируют протестировать те же устройства при различных дозах радиации и изучить GNRs разных размеров. Мутлу считает, что методы синтеза, использованные в исследовании, позволят исследователям проектировать материалы на атомном и молекулярном уровне, настраивая новые наноленты для достижения различной чувствительности. Такой уровень контроля имеет решающее значение для будущих космических систем, работающих в течение длительного времени в условиях постоянного радиационного воздействия, поддерживая как радиационно-стойкие полупроводниковые чипы, так и датчики, отслеживающие производительность системы с течением времени.
