Ученые из Сколтеха смоделировали поведение нанопузырьков в ван-дер-ваальсовых гетероструктурах и поведение захваченных ими веществ. Новая модель в перспективе позволит получать уравнения состояния вещества в условиях нанообъемов, что открывает возможности для извлечения углеводородов из пород с большим содержанием микро- и нанопор.

Результаты исследования опубликованы в Journal of Chemical Physics.

Ван-дер-ваальсовы наноструктуры – перспективная система для изучения вещества в очень маленьком объеме (от 1 кубического микрометра до нескольких кубических нанометров). Это атомарно тонкие слои двумерных материалов – графена, гексагонального нитрида бора (hBN) и дихалькогенидов переходных металлов, которые удерживаются вместе лишь слабым ван-дер-ваальсовым взаимодействием.

Если между такими слоями разместить исследуемое вещество, верхний слой за счет потери связи с нижним слоем вздуется, и получится нанопузырек. Конструкция станет доступна для исследования методами просвечивающей электронной и атомно-силовой микроскопии, что дает хорошее представление о структуре, вещества, находящегося в пузырьке.

Вещество внутри ван-дер-ваальсовых нанопузырьков обладает рядом интересных и необычных свойств. Например, вода в таких условиях на порядок понижает свою диэлектрическую проницаемость и начинает активно выжигать поверхность алмазной подложки, что для нее абсолютно не характерно в нормальных условиях. Аргон в совсем маленьких нанопузырьках радиусом до 50 нм может находиться в кристаллическом состоянии, хотя при том же давлении в большом объеме аргон – жидкий.

Ученые из Центра проектирования, производственных технологий и материалов Сколтеха под руководством директора центра, профессора Искандера Ахатова построили универсальную численную модель нанопузырька, которая может предсказывать форму самого пузырька при определенных термодинамических условиях и описывать молекулярное строение вещества, захваченного пузырьком.

«С практической точки зрения, пузырьки в ван-дер-ваальсовых структурах чаще всего являются технологическим дефектом, и в большинстве случаев экспериментаторы хотят от них избавиться. С другой стороны, сами пузырьки создают деформацию, что может быть использовано в устройствах стрейнтроники (от английского strain – деформация): влияние деформации на электронную структуру может быть использовано для создания практических устройств, например транзисторов, элементов логики и памяти ПЗУ», – комментирует работу старший научный сотрудник Сколтеха Петр Жиляев.

«Наши новые результаты посвящены описанию специфической формы плоских нанопузырьков, которая проявляется только при субнанометровых масштабах. Мы обнаружили, что вертикальный размер таких наноструктур может принимать только дискретные значения, кратные размеру молекул захваченного вещества. Кроме того, разработанная модель предлагает способы изменения размеров нанопузырьков, управляя температурой системы и физико-химическими параметрами материалов», – рассказывает старший научный сотрудник Сколтеха Тимур Аслямов.