Как показало последнее компьютерное моделирование ученых из Германии, одноатомные листы атомов углерода, образующих различные типы кристаллических решеток (графаны), могут обладать свойствами, аналогичными удивительным особенностям графена.

В частности, опубликованная немецкими учеными работа доказывает, что эти листы имеют похожую на графен электронную структуру, т.е. практически не оказывают сопротивления перемещающимся свободным электронам. Правда, до сих пор на практике удалось произвести лишь небольшие фрагменты графановых листов, но обнаруженные свойства, скорее всего, подтолкнут научное сообщество к поиску других, более выгодных способов производства. По мнению исследователей,

за счет уникальной симметрии кристаллической решетки графаны могут найти более широкое применение в электронных устройствах, чем удостаивающийся на сегодняшний день максимального внимания графен.

Графен, представляющий собой одноатомные листы с гексагональной кристаллической структурой, известен с 2004 года, хотя многие его свойства были предсказаны теоретически более 50 лет назад. Одним из наиболее удивительных свойств этого материала является то, что электроны практически не испытывают сопротивления со стороны атомов в узлах кристаллической решетки при перемещении внутри графена. Т.е. они ведут себя как безмассовые релятивистские частицы и перемещаются со скоростью, равной 0,3% от скорости света. Это приводит к тому, что проводимость графена существенно превышает проводимость материалов, использующихся в электроники на сегодняшний день (например, меди).

Графаны отличаются от своего «родственника», графена, тем, что в их двумерной структуре отсутствует гексагональный порядок. Помимо двойных углеродных связей (позволяющих построить кристаллическую решетку, напоминающую соты), там присутствуют тройные химические связи. Потенциально эти тройные связи открывают возможность построить бесконечное множество различных геометрических структур.

Хотя до сих пор ученым удавалось синтезировать лишь небольшие фрагменты графанов, это не помешало теоретическому изучению свойств новых материалов. В частности, последние теоретические исследования ученых из University of Erlangen-Nürnberg (Германия) показали, что

некоторые варианты графанов также могут отличаться способностью пропускать свободные электроны на высоких скоростях.

Для своих изысканий команда выбрала три варианта графана: два с гексагональной симметрией и один с прямоугольной. Для начала, в рамках моделирования была оценена стабильность упомянутых структур: исследователи имитировали вибрацию кристаллической решетки и проверяли, действительно ли она возвращается к своей первоначальной форме.

Затем была определена зонная структура каждого из материалов при помощи теории функционала плотности, позволяющей работать с взаимодействием большого количества электронов внутри кристалла (кратко об этом мы уже писали). Проведенное моделирование показало, что

все упомянутые структуры графана отличались искомым свойством. Это было удивительно, особенно для графана с прямоугольной симметрией, поскольку ранее считалось, что уникальные свойства графена определяются гексагональной симметрией кристаллической решетки. Результат проведенных исследований состоит в том, что не только графен, но и другие материалы (некоторые из которых содержат не только атомы углерода) могут обладать теми же электронными свойствами.

При ближайшем рассмотрении оказалось, что зонная структура графана с прямоугольной симметрией не вполне точно повторяет структуру гексагонального графана или графена. Обнаруженное отличие на практике должно означать зависимость проводимости материала от направления тока. Этого свойства нет у графена, однако, оно может использоваться для построения наноразмерных электронных устройств будущего.

Важным преимуществом этого материала по сравнению с графеном является то, что он всегда содержит в себе электроны проводимости и не требует добавления неуглеродных примесей в качестве источника электронов, как графен.

Единственной проблемой, препятствующей широкому использованию графана вместо графена, является отсутствие технологий, позволяющих произвести большие количества этого материала. Пока что синтез ведется на уровне отдельных молекулярных подразделений, которые не проявляют свойства, требующие большой площади кристаллической решетки.