Что произошло
В нашей лаборатории мы занимаемся ростом одномерных кристаллов при окислении металла при атмосферных условиях. Оказалось, что синтез наноматериалов — это не так уж и сложно. Каждый, кому это интересно, может получить нанонити в своем гараже, для этого необходимо лишь запастись тоненькой металлической проволочкой и источником питания (ЛАТР, батарейка или аккумулятор).
Мы обнаружили, что достаточно лишь резистивно нагреть железную проволочку до слабого свечения на воздухе, и через три минуты она почти полностью покрывается оксидными нанонитями. Это было открыто случайно, когда мы разрабатывали новый метод для синтеза углеродных нанотрубок методом раскаленной нити. Мы заметили, что при определенных условиях железная проволочка приобретает коричневатый оттенок. Далее любопытство взяло верх, мы отнесли этот образец в растровый электронный микроскоп и с удивлением обнаружили, что практически вся проволочка покрыта нанонитями. Причем в качестве нагреваемой проволочки для синтеза нанонитей можно использовать практически любой металл. Это и послужило толчком для исследования синтеза нанонитей из других материалов, а также для изучения механизмов их образования.
После многократных попыток понять нуклеацию и механизм роста нанонитей при их наблюдении в электронном микроскопе после их синтеза мы решили, что такие исследования лучше проводить непосредственно в микроскопе. Кульминацией нашего исследования стала статья в Nano Letters в 2014 году, в которой мы описали, как с помощью просвечивающего микроскопа мы смогли изучить процессы образования и роста нанонитей оксида меди.
В сотрудничестве с Университетом Аалто, Техническим университетом Дании и Кемеровским государственным университетом мы провели ряд уникальных экспериментов. Удалось впервые проследить от начала и до конца процесс роста нанокристаллов в результате окисления металла. Это исследование однозначно ответило на многие открытые вопросы, связанные с механизмом роста таких кристаллов. Рост нанонитей происходит без частиц катализатора, а кроме того, все нанокристаллы содержат плоские дефекты двойникования, которые оказывают важное влияние на образование нанокристалла и фактически управляют их ростом. Исследования на атомном уровне показали, как новые слои оксида меди образуются (нуклеируют) только в определенной позиции, связанной с дефектами двойникования, и упорядочиваются на кончике растущего кристалла. Эта работа может положить начало исследованию контролируемого роста нанонитей с помощью дефектов точно таким же образом, как это делается с помощью катализатора.
Предыстория
Наноструктуры и наноструктурированные материалы уже многие десятилетия привлекают широкое внимание ученых. Причиной такого внимания является размерный эффект: при переходе на наноуровень оптические, электрические, электрооптические, тепловые и механические свойства материалов, определяемые их чрезвычайно высокой удельной поверхностью, изменяются и начинают значительно отличаться от свойств как объемных материалов, так и индивидуальных атомов.
В Лаборатории наноматериалов мы занимаемся синтезом наноматериалов (углеродные нанотрубки, графен, металлоксидные нанонити), а также изготовлением из них прозрачных, эластичных, гибких и проводящих материалов для применения в оптоэлектронике и солнечной энергетике.
Одномерные материалы, такие как нанонити, наностержни, нанопроволока или нановискеры, в последнее время привлекают огромный научный интерес. Благодаря своим размерам и уникальной геометрии с высоким аспектным отношением, эти материалы обладают интересными физическими свойствами, которые нехарактерны для их макроскопического состояния. Нанонити имеют большой потенциал для применения в качестве строительных блоков в широком диапазоне устройств наноразмерной электроники, опто- и магнитоэлектроники.
Как правило, синтез нанонитей связан с фазовыми переходами «пар — жидкость — твердое тело» (VLS), «пар — твердое тело — твердое тело» (VSS) или «раствор — жидкость — твердое тело» (SLS) и основан на использовании частиц катализатора. Катализатор — это металлическая наночастица, которая находится на конце растущей нанонити и определяет ее геометрию. Компоненты конденсируются из газовой фазы на частице (VLS- и VSS-механизмы) или из раствора (SLS-механизма) и формируются в виде одномерных кристаллов.
Альтернативно нанонити могут быть синтезированы без использования катализатора (VS-механизм) или путем окисления металла в контролируемых условиях, что обеспечивает условия для изготовления чистых нанонитей без необходимости предварительной подготовки и контроля состояния катализатора. Очевидно, что для того, чтобы производить нанонити с контролируемыми свойствами, необходимо тщательно изучить и знать механизмы их роста.
Когда мы начали заниматься этой темой, механизмы роста нанонитей путем окисления металлов были поняты весьма поверхностно. Было много открытых вопросов, связанных с транспортом материала в зону роста и механизмом образования кристалла в процессе роста нанонитей. О росте нанонитей путем окисления было известно настолько мало, что невозможно было даже исключить возможность присутствия катализатора роста нанонитей.
Перспективы
Мы изучали образование нанонитей на основе оксида меди, но аналогичные механизмы роста могут быть также применимы для некаталитического роста практически любых других ионных кристаллов. Сейчас мы занимаемся изучением роста одномерных кристаллов оксида железа и видим, что рост таких кристаллов также сопровождается наличием дефектов.
Теперь, когда тайна механизма роста одномерных нанокристаллов более или менее приоткрыта, следующим логическим шагом является контролируемый синтез одномерных кристаллов с высокой чистотой и особыми свойствами для их массового применения.
