Архив рубрики ~Лента новостей~

Предложен новый подход фотокаталитического получения водорода

Предложен новый подход фотокаталитического получения водорода

Распределение электронов в скрученном нитриде углерода (g-C₃N₄) под углом 27.8°. Желтые области - накопление электронов, синие - обеднение. Электроны концентрируются в зонах паттерна Муара, что открывает путь к созданию фотокатализаторов для получения водорода и элементов квантовых компьютеров.

Распределение электронов в скрученном нитриде углерода (g-C₃N₄) под углом 27.8°. Желтые области — накопление электронов, синие — обеднение. Электроны концентрируются в зонах паттерна Муара, что открывает путь к созданию фотокатализаторов для получения водорода и элементов квантовых компьютеров.

© Сергей Полютов, СФУ

Исследование международной группы ученых из России, Южной Кореи и Китая, опубликованное в журнале Computational Materials Science, открывает новые возможности для создания эффективных материалов, преобразующих солнечную энергию в экологически чистое топливо. С помощью масштабного компьютерного моделирования исследователи выяснили, что происходит с перспективным полупроводниковым материалом, нитридом углерода, если два его атомарных слоя скрутить друг относительно друга под разными углами.

Представьте себе лист бумаги, состоящий из одного слоя атомов. А теперь представьте, что вы берете два таких листа, накладываете их друг на друга и слегка проворачиваете верхний. Казалось бы, простое механическое действие, но в мире квантовой физики оно открывает дверь в новую реальность с удивительными свойствами. Именно этим занимается молодая и активно развивающаяся область науки — твистроника (от английского twist — крутить).

История твистроники началась не так давно. Вначале был графен — легендарный материал, состоящий из одного слоя атомов углерода. В 2004 году ученые Андрей Гейм и Константин Новосёлов удостоились Нобелевской премии за то, что смогли его получить. А в 2018 году исследователи обнаружили, что, если два листа графена положить друг на друга под совершенно особым, «магическим» углом около 1,1 градуса, материал неожиданно становится сверхпроводником, проводящим электричество без сопротивления. Это открытие показало, что вращение слоев — мощнейший инструмент для создания новых материалов с уникальными свойствами.

Ученые по всему миру начали экспериментировать с «кручением» других двумерных материалов. «Мы стоим на пороге новой эры в материаловедении», — рассказал профессор Харбинского института технологий Павел Аврамов. – «Возможность контролировать свойства материала простым поворотом одного слоя относительно другого — это как получить в руки волшебную палочку. Мы можем создавать структуры, которые не существуют в природе, и заставлять их делать то, что нам нужно».

Новым объектом внимания ученых стал графитоподобный нитрид углерода, или g-C₃N₄. В отличие от графена, который блестяще проводит ток, это полупроводник, состоящий из распространенных и недорогих элементов — углерода и азота. Уже давно известно, что он может поглощать солнечный свет и можно использовать его энергию для расщепления воды на водород и кислород в процессе, который называется фотокатализом. Полученный водород — это экологически чистое топливо будущего. Однако у g-C₃N₄ есть одна проблема: он не очень эффективно использует солнечный свет, особенно его видимую часть. Именно здесь на помощь и приходит твистроника.

Ученые решили теоретически просчитать, что произойдет, если скрутить два листа g-C₃N₄ под разными, достаточно большими углами — 21.8°, 27.8° и 38.2°. Результаты, полученные с помощью суперкомпьютеров и квантовой теории, превзошли ожидания. При скручивании двух атомарных слоев возникает так называемый паттерн Муара — красивая крупномасштабная рябь, похожая на разводы на воде или на то, как накладываются друг на друга две сетки. Эта рябь создает периодическую структуру, в которой атомы располагаются по-новому. Благодаря этому в местах нового узора электроны перестают свободно двигаться и «запираются» в крошечных областях, теряя энергию. Это образование так называемых «плоских зон» является ключевым условием для возникновения сверхпроводимости и других экзотических квантовых состояний.

Но самое важное для практики — это изменение оптических свойств. Обычный слой g-C₃N₄ поглощает в основном ультрафиолет. Скрученный же материал начинает активно поглощать синий и зеленый участки видимого спектра, а край поглощения сдвигается в красную область, и это приводит к тому, что материал сможет улавливать гораздо больше солнечной энергии. Меняя угол скручивания, исследователи могут точно настраивать параметр, определяющий, какую часть спектра материал будет поглощать.

Как подчеркнул директор Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии СФУ Сергей Полютов: «Это исследование — не просто игра ума, мы учимся управлять фундаментальными процессами. Оно открывает конкретные пути для создания устройств будущего. Например, суперэффективных фотокатализаторов. Также материал может стать отличным поглотителем света в тонкопленочных солнечных панелях, делая их дешевле и эффективнее. А обнаруженная локализация электронов и плоские зоны делают скрученный g-C₃N₄ кандидатом для создания элементов квантовых компьютеров».

Исследование показывает, что скручивание слоев g-C₃N₄ — это настоящий ключ к управлению его квантовыми и оптическими свойствами. То, что еще недавно казалось лабораторным курьезом с графеном, сегодня превращается в инженерный метод создания новых материалов. История твистроники только начинается, и нитрид углерода обещает стать одной из ее ярких глав.

Исследование выполнено при поддержке Министерства высшего образования и науки России (грант FSRZ-2023-0006).

Источник: indicator.ru

Оцените материал:

Поделиться
Понравилась статья? Расскажите другим
ВКонтакте
Читайте также
Новости робототехники Благодаря новому финансированию монументальный план привезти своих строительных роботов в США. Новости робототехники Телеуправляемый андроид Unitree G1 прооперировал свиней. Им лапароскопически удалили желчный пузырь Новости робототехники Weave Robotics запускает Айзека, своего первого представителя робота-гуманоида Новости робототехники Страх перед человекоподобными роботами подтолкнул рабочих к забастовке на автомобильном заводе Hyundai. Новости робототехники Основатель Максимо рассказывает, как робототехника строит строительство солнечной энергетики. Архив рубрики ~Обо всем~ Астрономы нашли кандидата в самый далекий галактический бар. Он существовал спустя почти 1,2 миллиарда лет после Большого Взрыва Новости робототехники По заключению Национального совета по безопасности на транспорте (NTSB), водитель Tesla, который объяснил аварию тем, что автопилот нажал на педаль газа на 100%. Новости робототехники Mondo Robotics представляет собой Beni, вездеходного робота с электрической розеткой и искусственным интеллектом для потребителей. Архив рубрики ~Обо всем~ «Парачастицы» могут стать представителями третьего царства квантовых частиц Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Нейросеть обучили подсчету и оценке качества семян Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ «Комендантский час» на соцсети для подростков 16-17 лет хотят ввести… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ В Южной Корее создадут бесплатного ИИ-бота для всех граждан. Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ В США 73% технических вакансий требуют навыков работы с ИИ,… Архив рубрики ~Обо всем~ Компания SpaceX внезапно прервала второй запуск Starship V3 после запуска двигателя. Новости робототехники Благодаря новому финансированию монументальный план привезти своих строительных роботов в США. Новости робототехники Телеуправляемый андроид Unitree G1 прооперировал свиней. Им лапароскопически удалили желчный пузырь Новости робототехники Weave Robotics запускает Айзека, своего первого представителя робота-гуманоида Новости робототехники Страх перед человекоподобными роботами подтолкнул рабочих к забастовке на автомобильном заводе Hyundai. Новости робототехники Основатель Максимо рассказывает, как робототехника строит строительство солнечной энергетики. Архив рубрики ~Обо всем~ Астрономы нашли кандидата в самый далекий галактический бар. Он существовал спустя почти 1,2 миллиарда лет после Большого Взрыва Новости робототехники По заключению Национального совета по безопасности на транспорте (NTSB), водитель Tesla, который объяснил аварию тем, что автопилот нажал на педаль газа на 100%. Новости робототехники Mondo Robotics представляет собой Beni, вездеходного робота с электрической розеткой и искусственным интеллектом для потребителей. Архив рубрики ~Обо всем~ «Парачастицы» могут стать представителями третьего царства квантовых частиц Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Нейросеть обучили подсчету и оценке качества семян Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ «Комендантский час» на соцсети для подростков 16-17 лет хотят ввести… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ В Южной Корее создадут бесплатного ИИ-бота для всех граждан. Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ В США 73% технических вакансий требуют навыков работы с ИИ,… Архив рубрики ~Обо всем~ Компания SpaceX внезапно прервала второй запуск Starship V3 после запуска двигателя.

Оставить комментарий