Химия наноэпохи

Проект, посвященный химии солнечной энергетики, стартовал два года назад в Гарвардском университете (Кембридж, штат Массачусетс, США). Его цель — поиск органических молекул, которые улучшат показатели органических солнечных элементов, позволив им конкурировать с современными кремниевыми. Органические элементы могут оказаться не только эффективнее, но и дешевле, что немаловажно для развивающихся стран. Кроме того, они позволят использовать в качестве основы, например, пластик и ткани, что сделает элементы не только легкими, но и гибкими.

В середине августа участники проекта сообщили, что их работа увенчалась успехом. Использовав компьютерные модели, созданные совместно с фирмой IBM, химики-теоретики под руководством Алана Аспуру-Гузика (Alan Aspuru-Guzik) просмотрели около 2,3 миллионов органических молекул, пытаясь выявить среди них экземпляры с лучшими полупроводниковыми свойствами. Сначала обнаруживали органический полупроводник с заданными параметрами среди известных соединений. Затем попытались сконструировать его производные и предсказать их свойства с помощью компьютерного моделирования.

Результаты изысканий были переданы в Стэнфордский университет в Калифорнии, где химики-экспериментаторы синтезировали предложенную молекулу и проверили на практике ее свойства — они оказались даже лучше, чем теоретически предсказанные. По способности переносить электрический заряд это один из лучших органических полупроводников. Подробнее об этом можно узнать в статье, опубликованной в журнале «Nature Communications».

Авторы планируют в ближайшее время обнародовать структуру 1000 молекул, свойства которых кажутся им наиболее подходящими для создания органических солнечных элементов. Дальше дело вновь за практиками — они решат, какие из молекул синтезировать прежде всего, и проверят их свойства. Полученные данные будут переданы теоретикам, дабы те могли внести коррективы в свои модели и продолжить поиск. На очереди еще 1,2 миллиона молекул.

Можно ли улучшить функциональные свойства материалов, применяемых для создания транзисторов, полупроводников и других элементов электронных устройств?

Да, если удастся наладить широкомасштабный синтез качественного графена кристаллической структуры (single-crystal graphene — научный сленг, обозначающий идеальный слой графена без дефекетов). В этом уверены Иван Власюк и его коллеги из Национальной лаборатории Окриджа и университета штата Нью-Мексико.

В последние два года графен в основном получают разложением углеродсодержащих газов, в частности, метана, на медной фольге при высоких температурах. Это так называемый метод химического осаждения паров (CVD). Проблема заключается в том, что при этом на поверхности образуются островки графена различного размера, которые не сливаются в сплошную идеальную пленку.

Авторы исследования продемонстрировали, что скорость роста этих островков, их форма и размер зависят не только от источника углерода и природы подложки, но и от водорода, который до сих пор считали пассивным участником процесса. Благодаря этому открытию они разработали метод выращивания качественных графеновых зерен гексагональной формы, приближающихся к безупречной монокристальной структуре. Новая технология получения графеновых пленок подробно описана в статье, опубликованной в «ACS Nano».

Электронные устройства могут стать прозрачными и гнущимися благодаря технологии изготовления аккумуляторов, предложенной сотрудниками Стэнфордского университета в Калифорнии. Другие компоненты этих устройств обрели прозрачность и гибкость уже некоторое время назад, дело оставалось за источником питания.

Как правило, это два электрода, разделенные электролитом, проводник, передающий ток вовне, и упаковка, удерживающая вместе все компоненты. В этом наборе только электролит обладает естественной прозрачностью. Можно найти соответствующие материалы для упаковки и проводников. Но как быть с электродами?

Исследователи (руководитель группы — И Цуй) предложили делать их не прозрачными, а настолько миниатюрными, что человеческий глаз просто не будет их различать. Такие электроды — не сплошная пластина или стержень, а тонкая сетка, сплетенная из нитей толщиной не более 35 микрометров. Их изготовление оказалось делом довольно хитрым.

Техника литографии в данном случае не подходит, так как использует растворители, которые могут испортить собственно электроды. Авторы пошли по пути микрообработки. Сделали кремниевый трафарет в виде сеткп из бороздок шириной 35 мкм. На него нанесли слой гибкого, прозрачного полидиметилсилоксана толщиной 100 мкм. Затем этот слой отделили от трафарета и получившиеся в нем канавки заполнили с помощью капиллярных сил водным раствором вещества, из которого делают электроды. После высыхания получилась тончайшая сетка, способная проводить ток. Литий-ионные аккумуляторы, сделанные по такой технологии, пропускают 60% падающего на них света. Не стекло, конечно, но читать сквозь них можно.

Пока они уступают традиционным батарейкам в удельной энергии, но этот показатель можно улучшить, если сделать сетку поглубже. Тогда, впрочем, она станет немного видима глазу.

Прозрачные электронные устройства — задача чисто эстетическая. Новая технология имеет в виду и вполне практические моменты — уменьшение размеров таких устройств. Можно будет, например, встраивать источник питания в дисплеи смартфонов.

И все же главное в это работе — сама технология изготовления, пригодная не только для литий-ионных, но и для других типов батареек. Более подробно о ней можно узнать в онлайн-публикации «Proceedings of the National Academy of Science».