Международная группа ученых из России, Швеции и Южной Кореи создала новый метод проверки стабильности структуры перспективных 2D-материалов. С помощью нее ученые обнаружили, что некоторые предсказанные теоретически двумерные материалы не могут в реальности существовать.

Исследование опубликовано в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.

Двумерные материалы — это тончайшие пленки, состоящие из одного слоя атомов. По поводу их существования в научном сообществе велись дискуссии в течение нескольких десятилетий. Затем такая возможность была доказана в теории, а позже подтверждена экспериментально, когда исследователям удалось синтезировать графен — монослой графита. Оказалось, что этот материал обладает уникальными механическими и проводящими свойствами. С тех пор интерес к таким соединениям сильно возрос, и на сегодняшний день известно уже несколько десятков 2D-материалов.

Изначально такие вещества открывали «методом научного тыка», но создание специализированных компьютерных алгоритмов позволило ускорить этот процесс и анализировать возможность существования двумерной формы у соединения еще до его синтеза. Однако для того чтобы такие предсказанные материалы были востребованными для производства и имели в дальнейшем перспективы воплощения в реальность, необходимо вычислить их стабильность.

«Мы обнаружили, что широко используемые сегодня методы проверки стабильности теоретически предсказанных 2D-материалов обладают одним серьезным недостатком. Из-за него зачастую такие программы дают ложные результаты о стабильности некоторых соединений в двумерной форме. Проще говоря, такие материалы просто не должны существовать, шанса получить их экспериментально практически нет», — говорит ведущий автор работы, инженер-исследователь лаборатории фундаментальных научных исследований департамента науки и инновационной деятельности СФУ Артем Куклин.

По словам ученого, основной недостаток широко используемого сегодня метода — это модель представления материала. При моделировании материаловеды используют условный материал, представляющий собой бесконечную кристаллическую решетку. Это похоже на клетки на тетрадном листе, только устремленные в бесконечность. При этом информация об одной «клетке» дает информацию обо всем «листе». Согласно модели, все эти «клетки» жестко связаны между собой, изгиб вдоль связей невозможен. Это значит, что такой бесконечный лист безупречно ровный, что не соответствует действительности.

Авторы нового исследования предлагают в качестве дополнительного критерия стабильности двумерных наноматериалов рассматривать не бесконечную модель материала, а ее небольшой фрагмент без жестких ограничений по связям между отдельными фрагментами структуры.

Если при этих условиях материал останется таким же, как и был в первой модели, значит, он не имеет внутренних напряжений. Если же структура материала значительно исказилась, то внутреннее напряжение в такой структуре станет показателем нестабильности, а значит, и практической невозможности создать такой материал на практике.

Используя новый метод, авторы показали структурную устойчивость недавно синтезированного двумерного диселенида палладия (PdSe₂) и неустойчивость нескольких ранее предложенных 2D-материалов c похожей структурой.