Учёные научились управлять формой нанопор в «белом графене» с помощью атмосферы

Команда физиков под руководством Яни Котакоски из Венского университета продемонстрировала, как точно контролировать форму нанопор в гексагональном нитриде бора (hBN) — материале, известном как «белый графен». В отличие от обычного графена, это вещество электрически изолирующее, но имеет схожую двумерную структуру. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Как создаются нанопоры

Нанопоры в гексагональном нитриде бора создаются с помощью электронного пучка просвечивающего электронного микроскопа. Электроны, которые используются для визуализации материала вплоть до отдельных атомов, могут также выбивать атомы из структуры. При продолжительном облучении эти дефекты превращаются в нанопоры размером всего в несколько атомов.

Влияние атмосферы на форму пор

Ключевое открытие состоит в том, что форма пор зависит не только от электронного пучка, но и от газовой среды вокруг образца. Исследователи использовали микроскоп с исключительно хорошим вакуумом и возможностью вводить выбранные газы в окружение образца.

При ультравысоком вакууме электронный пучок удалял атомы бора и азота примерно с одинаковой скоростью, формируя круглые поры. Добавление азота практически не влияло на результат. Однако при наличии даже небольшого количества кислорода атомы бора удалялись намного быстрее, и образовывались треугольные поры с краями, оканчивающимися азотом.

Механизм образования разных форм

Кислород сам по себе недостаточен для изменения формы пор. Результаты показывают, что электронный пучок расщепляет молекулы кислорода на реактивные частицы, которые могут химически атаковать материал. Форма поры является результатом конкуренции между физическими и химическими процессами: энергичные электроны способствуют образованию круглых пор, а опосредованное кислородом химическое травление — треугольных.

Практическое применение

Контролируя атмосферу во время электронного облучения, исследователи могут определять, какая форма пор образуется. Это позволяет создавать атомически точные структуры для различных применений: фильтрации воды, катализа и квантовых технологий. Исследование проводится в рамках австрийского научного фонда (FWF) в кластере передовых исследований «Материалы для преобразования и накопления энергии», где группа Котакоски работает над созданием новых каталитически активных структур.

Первый автор исследования Умаир Джавед отметил: «Мы показываем впервые, что форма пор определяется не только электронами, но и атмосферой вокруг образца». По словам Котакоски, учёные ожидают найти аналогичные способы контроля формы пор в других материалах и, возможно, создавать различные формы в гексагональном нитриде бора.

Это данные исследования, а не медицинский совет.