Исследователи Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике (ИНТЭЛ) НИЯУ МИФИ смоделировали и рассчитали свойства трехмерных кристаллов из молекул «гиперкубана» – углеводорода с молекулами т.н. гиперкубической формы. Выяснилось, что некоторые кристаллы гиперкубана являются полупроводниками, которые в будущем могут быть использованы в электронике и оптике.

Куб – одна из самых простых и «естественных» геометрических фигур. Однако в мире углеводородных молекул, которые принимают самые причудливые формы, куб является экзотикой.

Молекула кубана C₈H₈, имеющая кубическую форму, была синтезирована в 1964 году путем сложной многоступенчатой реакции. Кубан оказался сверхплотным углеводородом, почти вдвое плотнее бензина. Несмотря на сложность синтеза, это соединение не только продемонстрировало высокую устойчивость, но и стало родоначальником целого семейства производных молекул, которые нашли применения в качестве энергоэффективных топлив и лекарств.

Вдохновляясь успехом кубана и фантастическим сериалом «Кинематографическая вселенная Marvel», химик Фабио Пичиерри в 2014 году предложил еще более сложную углеводородную молекулу – гиперкубан. Она имеет две оболочки, вложенные одна в другую, и напоминает проекцию четырехмерного куба (гиперкуба) на трехмерное пространство, видимые трехмерные кубы представляют собой грани гиперкуба.

Исследователи НИЯУ МИФИ начали изучать эту молекулу в 2017 году, рассказал профессор ИНТЭЛ НИЯУ МИФИ Михаил Маслов.

«Казалось, что молекула такой формы должна моментально рассыпаться. Однако наши расчеты показали, что при комнатной температуре она может прожить около 3 миллионов лет», – отметил он.

В 2020 году китайские ученые исследовали двумерные кристаллы на основе молекулы гиперкубана. Сотрудники НИЯУ МИФИ решили пойти дальше и проверить, не может ли гиперкубан образовывать трехмерные кристаллы. Для этого они построили структурные модели таких кристаллов и решили квантово-механические уравнения, которые описывают поведение их электронов. Результаты превзошли все их ожидания, отметил профессор ИНТЭЛ НИЯУ МИФИ Константин Катин.

Исследователи установили, что из-за своей необычной структуры гиперкубан может образовывать аллотропные формы со всеми тремя типами кубических кристаллических решеток: простой кубической, объемно-центрированной и гранецентрированной.

«Первые две формы оказались полупроводниками, а последняя – проводником. Необычное электронные и оптические свойства кристаллических форм, а также их прочность и стабильность делают их полезными материалами для изготовления фотокатализаторов и электронных устройств», – рассказал Константин Катин.

Ученые НИЯУ МИФИ продолжают изучать гиперкубан. Следующим шагом станет оценка потенциала использования этого материала в литий-ионных аккумуляторах. Чем более впечатляющие результаты будут получены в рамках теоретического моделирования, тем сильнее будут стимулы для скорейшего синтеза и производства гиперкубанов, считают авторы исследования.

Результаты работы опубликованы в научном журнале Materials Today Communications.