Ученые раскрыли механизм влияния колебаний между карбином и углеродными нанотрубками на макроскопические свойства материалов. Рассказываем, как квантово-механические взаимодействия могут изменить электронику и технологии.
Чтобы разрабатывать перспективные материалы будущего, необходимо детально разбираться в квантово-механическом взаимодействии отдельных атомов внутри вещества. Загадочные колебания, возникающие между углеродными цепочками (карбином) и нанотрубками, долгое время оставались непонятными для специалистов по материалам, пишет Phys.org.
Группа ученых из Австрии, Италии, Франции, Китая и Японии, возглавляемая сотрудниками Венского университета, сумела разгадать природу этого феномена, использовав методы рамановской спектроскопии, передовые теоретические подходы и современные алгоритмы машинного обучения. Их выводы демонстрируют уникальные возможности карбинового соединения как высокочувствительного сенсора благодаря его реакции на внешние факторы.
Создание новых материалов требует глубокого понимания механизмов взаимодействия веществ на атомном уровне. Именно квантово-механические процессы определяют макрохарактеристики вещества, включая электропроводность, магнетизм, оптику и механические свойства. Для выявления особенностей атомной структуры ученые применяют метод рамановской спектроскопии, при котором лазерный луч исследует внутренние вибрации образца.
Еще девять лет назад группа профессора Томаса Пихлера из Венского университета первой смогла стабилизировать карбин — уникальную линейную структуру атомов углерода — внутри углеродных нанотрубок, вызвав значительный интерес среди ученых. Благодаря своим уникальным электронным свойствам, карбин потенциально подходит для разработки новой электроники и представляет собой самый прочный материал по показателям растяжимости. Но проведенные эксперименты выявляли необычные изменения в поведении системы, которые противоречили существующей теории и были неправильно интерпретированы.
Недавно ученые провели подробный анализ загадочных вибраций, возникающих между цепочкой карбона и нанотрубкой. Новая теория, основанная на последних достижениях машинного обучения, позволила объяснить необычную взаимосвязь между двумя структурами, казавшуюся вначале абсурдной. Несмотря на отсутствие обмена электронами, две структуры активно влияют друг на друга, демонстрируя новое уникальное свойство квантового взаимодействия. Обычно такое взаимодействие незначительно, но в данном случае оно крайне выраженно из-за специфики внутренней электронной конфигурации и нестабильности цепи.
Наблюдаемая особенность делает карбин чрезвычайно чувствительным к изменениям внешней среды. Карбин оказывает значительное влияние на окружающие его нанотрубки, причем характер этого влияния отличается от предыдущих предположений. Высокая чувствительность карбинового звена к внешним факторам открывает новые перспективы для его практического применения, например, в виде бесконтактного оптического детектора на наноуровне, используемого для высокоточных измерений температурных градиентов и теплопередачи.
Ранее ученые раскрыли секрет образования «сырных цветов». Подробнее об этом написано в другом материале Hi-Tech Mail.
Источник