Благодаря каким полезным свойствам нитрид бора может получить механическое применение? Как можно использовать комбинацию графена и нитрида бора в электронике? Как с помощью нитрида бора улучшить свойства полимеров? Об этом рассказывает кандидат физико-математических наук Дмитрий Гольберг.

Нанотрубки бывают из совершенно разных соединений. В настоящее время изучено порядка 50–60 различных соединений, которые образуют цилиндрические структуры. Основные из них — это углеродные и нитридборные нанотрубки. Поскольку моя любимая тема — это нитридборные нанотрубки (я стоял у истоков, когда они были заявлены в науке), то я остановлюсь более конкретно на этом материале: для чего нужно это исследование, как это можно использовать в материаловедении, в электронике.

Возвращаясь к свойствам нитрида бора. Это материал химически стойкий, термически устойчивый, имеет высокую теплопроводность, имеет один из самых высоких модулей упругости. Когда испытывается нанотрубка, например, на растяжение или на сжатие, вы можете померить так называемый модуль Юнга. Этот модуль Юнга в нанотрубках из нитрида бора приблизительно такой же, как и в углероде, и составляет около 1 ТПа (терапаскаля). Это огромная величина, материал абсолютно упругий. Плюс он имеет отличную прочность на растяжение, поскольку борнитридная связь между атомами — это одна из самых сильных связей, которые имеются в природе, после углеродной. И, соответственно, когда мы имеем такой комплекс замечательных свойств, дальше встает вопрос, как это можно применить, чтобы эксплуатировать эти свойства для нужд человечества и для нужд народного хозяйства, как раньше говорили, для материаловедения, для физики, для химии.

Поскольку нитрид бора имеет запрещенную зону — между 5 и 6 эВ (электронвольт), — возникает первая мысль, что эти материалы могут быть использованы для полупроводниковой электроники. В углероде — поскольку чаще всего графит — это полуметалл, и довольно сложно использовать углеродные материалы, наноматериалы, в частности графен, напрямую для наноэлектроники. Нитрид бора — это уже полупроводник. Закрыть зону, сделать ее у́же намного проще, чем открыть зону графеновых материалов.

Наиболее популярная сейчас тематика — переход от нанотрубок углерода к графеноподобным материалам. Углеродные нанотрубки: представьте, что вы можете их распаковать, открыть — вы получаете графеновые листы. Это одно из самых модных течений в современной науке о материалах. Эти графены были открыты нашими соотечественниками Андреем Геймом и Костей Новоселовым, работающими сейчас в Университете Манчестер.

Такие же графеноподобные листы могут существовать в нитриде бора, о котором я рассказывал. Если вы откроете нитридборный лист, вы получаете графеноподобное состояние, состоящее из бора и азота. Выяснилось, что графен, как электронный материал, довольно сложен в эксплуатации, потому что это полуметалл. Но если вы его кладете на нитридборный листик, то вы можете варьировать ширину запрещенной зоны в графене. Вы можете, например, делать различные упаковки — то, что называется «стэйкинг» — между этими материалами. Там получается совершенно эпитаксиальное соотношение. То есть нет никаких пертурбаций заряда на границах, и сейчас, если вы посмотрите материалы ведущих журналов, таких как Nature, Science, то ученые всегда для нужд электроники используют вот эту комбинацию.

Есть графеновый лист, под ним лежит нитридборный лист. Кроме того, можно весь этот «сэндвич» как-то сдеформировать, приложить напряжение, сделать gaiting, сделать back voltage. Все эти способы позволяют варьировать различные электронные свойства этих «сэндвичей», которые очень хороши для электроники. Потому что чем интересен графен: у него огромная подвижность зарядов, что называется mobility, намного больше, чем в металлических материалах, поэтому ученые сейчас прежде всего по применениям этих наноматериалов из углерода или из нитрида бора смотрят в сторону электроники. Эти комбинации из углерода как полуметалла и нитрида бора как широкозонного полупроводника очень интересны, и все ведущие группы в мире сейчас изучают именно эти комбинации.

Если вы сравните механические свойства графена и нитридборных листов — они очень похожи. Это очень прочные соединения.

В двухмерных структурах вы получаете значения: 1 ТПа — модуль упругости; десятки гигопаскалей — это пределы прочности на растяжение. То есть возникает идея еще и механических применений. Я бы думал даже, что механические применения нанотрубок и двухмерных листов наиболее близкие по времени, потому что это сделать намного проще, чем делать транзисторы, полупроводники, которые до настоящего времени являются штучным товаром. Это нужно как-то положить, как-то сориентировать, припаять. Естественно, процесс очень трудоемкий, требует очень больших человеческих затрат, усилий, и он не всегда надежный. Вы можете закончить девайс, и на каком-то этапе вы выясните, что плохие контакты вообще ничего не проводят и вся ваша работа пошла насмарку. Я бы думал, что у графена и нанотрубок из углерода, так же как и у нанотрубок из нитрида бора, и у графеноподобных листов из нитрида бора, скорее всего, более близкая область применения — это механические применения, потому что можно эксплуатировать их замечательные механические свойства.

Мы пришли к такой идее в Японии, и потом эта идея была развита уже в Москве, в МИСиС, где я тоже работаю в лаборатории, которую получил по мегагранту от Правительства Российской Федерации, — что, возможно, нитридборные структуры легко использовать в композитных материалах. Это могут быть различные композиты. Это могут быть прежде всего композиты из полимеров. Поскольку полимер — это вещество аморфное, и в нем довольно легко распределить любые fibers, любую фазу, которую вы хотите упрочнить полимером.

Первое применение, которые мы нашли для наноструктуры из нитрида бора, — и сейчас я буду говорить более конкретно о нитриде бора, не об углероде, потому что эта тема мне более близка. Вы имеет материал, который термически стабилен. Значит, полимер, если вы замешаете его с наноструктурами из нитрида бора, будет сохранять свои свойства даже при нагревах. Пока полимер стабилен, ваша структура из этого композита будет стабильна. Кроме того, поскольку у наноструктур из нитрида бора ширина запрещенной зоны около 5–6 эВ, этот материал не поглощает видимый свет. Поэтому он остается оптически прозрачным для солнечного света. Полимеры тоже прозрачные, любые полиэтиленовые пленки. Если вы добавляете какие-то наноструктуры из нитрида бора: либо трубки, либо частички, либо двумерные материалы в полимеры — полимер выглядит так же, как он выглядел до внедрения: он прозрачный, белый, не поглощает видимый свет.

Если то же самое сделать, например, с углеродными материалами, то полимеры немножко чернеют. Они становятся сероватого цвета, что уже не очень красиво и функционально. Если вы делаете то же самое с нитридом бора — ничего не меняется, полимер остается таким же, каким и был, но преимущество какое: мы можем эксплуатировать механические свойства нитрида бора. Это вещество очень прочное: 35–40 ГПа на растяжение; предел упругости, модуль упругости — 1 ТПа, плюс удивительная гибкость этого материала при любых деформациях.

Полимер становится прочным, он становится теплопроводным за счет внедрения совсем небольшого количества наноструктур. Например, достаточно ввести 1–2 весовых процента наноструктур из нитрида бора в полимерные материалы, такие как PVP или PMMA, и материал становится термостойким, материал становится теплопроводным и прочным. На 30, 40, 50% можно увеличить прочность, на такую же величину можно увеличить теплопроводность полимерных пленок. Это очень перспективное направление, поскольку мы очень близко к внедрению. Упомянуть можно, что, работая в Японии, мы получили около сотни японских патентов на применение этих наноструктур в материалах из полимерных веществ.

Дальше мы пошли еще глубже: мы решили, что есть целый комплекс металлических материалов, таких как алюминий, литий, магний — это материалы легкие для структурных применений. Но материалы очень мягкие. Так вот, если попытаться сделать такие наногибриды, состоящие из легких металлов и наноструктур из нитрида бора, то, возможно, сможем получить то, что я называю «материал мечты».

Можно будет сделать материал такой же легкий, как алюминий или магний, но такой же прочный, как сталь.

Если удастся решить некоторые технологические проблемы, над которыми мы сейчас работаем и в Японии, и в России, то вполне возможно получить материалы с прочностью до 1 ГПа, при этом плотность этого материала будет равна плотности алюминия и составлять всего-навсего 2,5 грамм на кубический сантиметр. Это очень важно для конструкционных применений, где нужен легкий материал, но с высокой прочностью — например, авиакосмические изделия, машиностроение, самолетостроение. Все, где нужно иметь в виду, что масса объекта должна быть минимальная для того, чтобы сэкономить энергию. Такие перспективы, я думаю, для применения наноструктур из нитрида бора.

Все смотрится хорошо и очень интересно, но, естественно, как и в любом деле, существует много технологических проблем, связанных с тем, что нитрид бора не смачивается, он очень пассивен. Когезия между нанофазой и металлической фазой — на сегодняшний день вопрос когезии еще не решен. То есть когезия на границе металла и наноструктуры меньше, чем прочность наноструктуры. Получается, что вы не можете до конца использовать ресурсы, которые могли бы иметь, если бы эта когезия была максимальной. Сейчас мы работаем над тем, чтобы увеличить эту когезию, сделать сцепку.

Вторая проблема — диспергирование наноструктур в металлах: в полимерах это просто, а в металлах довольно сложно, потому что металл имеет зеренную структуру, металл имеет свое как бы видение, как он должен кристаллизоваться. И когда вы внедряете в него наноструктуры, вы должны иметь в виду, что есть различные дефекты в металлах, границы зерен. Как это будет вместе смотреться, как они там будут аккомодированы между собой — это вторая проблема. То есть когезия на границе плюс диспергирование, чтобы оно было гомогенно по материалам. Не так, чтобы где-то было густо в наноструктурах, а где-то пусто, а так, чтобы это было гомогенно. Над этим мы сейчас работаем.