В сфере материаловедения совершён заметный прорыв: учёным впервые удалось получить металлические нанотрубки из сульфида ниобия с устойчивыми и предсказуемыми характеристиками. Ключевым элементом эксперимента, неожиданно сыгравшим решающую роль, оказалась обычная поваренная соль. Международное научное сообщество рассматривает это достижение как важный шаг к разработке высокоскоростной электроники, высокоэффективных сверхпроводящих кабелей и перспективных квантовых технологий.
Нанотрубки представляют собой ультратонкие цилиндрические структуры — настолько миниатюрные, что тысячи подобных образований умещаются в пределах ширины человеческого волоса. Их формируют путём сворачивания атомных листов, благодаря чему эти полые трубки приобретают уникальные свойства, кардинально отличающие их от традиционных материалов. Нанотрубки способны сочетать исключительную прочность (превосходящую сталь) с малым весом (меньшим, чем у пластика), эффективно проводить тепло и передавать электричество с минимальными потерями. В отдельных случаях они демонстрируют необычные квантовые эффекты, что открывает широкие перспективы для применения в передовых областях — от электроники до квантовых исследований.
Специалисты Института материаловедения при Университете штата Пенсильвания подчёркивают: свойства нанотрубок можно целенаправленно регулировать, варьируя их атомный состав. Именно это обстоятельство стимулировало интерес к созданию нанотрубок из дисульфида ниобия — материала с металлическими характеристиками, способного ускорить развитие сверхпроводящих технологий и высокоскоростной электроники.
До настоящего момента исследователи успешно получали стабильные нанотрубки лишь из углерода (обладающего свойствами полупроводника или полуметалла) и нитрида бора (выступающего в роли изолятора). Однако синтез устойчивых металлических нанотрубок долгое время оставался нерешённой задачей из‑за особенностей поведения металлов на атомном уровне.
Профессор Слава В. Роткин из Института исследования материалов Пенсильванского университета поясняет: созданные структуры представляют собой металлические оболочки, способные проявлять явления, недоступные изоляторам и полупроводникам, — например, сверхпроводимость и магнетизм. Ранее существовавшие полуметаллические углеродные нанотрубки не могли демонстрировать эти свойства из‑за низкой плотности электронов.
В ходе эксперимента учёные преобразовали дисульфид ниобия — материал, обладающий сверхпроводящими свойствами в чистом виде, — в нанотрубки диаметром в миллиардные доли метра. Для формирования трубчатой структуры исследователи использовали шаблон из углеродных и бор‑нитридных нанотрубок. Это стало значительным достижением, поскольку в обычных условиях подобные материалы склонны образовывать плоские слои, а не цилиндрические конструкции.
Решающий прорыв случился на этапе добавления небольшого количества поваренной соли. Благодаря этому металл начал равномерно обволакивать шаблон, а не растекаться по его поверхности, что позволило получить стабильные нанотрубные оболочки.
Интересно, что полученные структуры преимущественно имели двухслойное строение, напоминающее вложенные друг в друга цилиндры. Такая конфигурация оказалась энергетически выгодной: электроны перемещались между слоями, стабилизируя структуру по принципу атомного конденсатора. Компьютерное моделирование подтвердило этот механизм, продемонстрировав, что взаимодействие между слоями играет ключевую роль в поддержании целостности нанотрубок.
Особая ценность трубчатой формы нанотрубок из дисульфида ниобия заключается в решении давней проблемы производства наноструктур. В отличие от нанопроволок, получаемых путём вырезания из плоских материалов (и часто имеющих неровные края, ухудшающие характеристики), скрученные трубки обладают идеально гладкими, непрерывными поверхностями с предсказуемыми свойствами.
По оценкам исследователей, подобная структурная точность делает металлические нанотрубки перспективным материалом для создания электронных, сверхпроводящих и квантовых устройств нового поколения, где критически важна надёжность на атомном уровне.