Предложен новый подход фотокаталитического получения водорода

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 берёте 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 учёные 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 слоёв — мощнейший инструмент для создания новых материалов с уникальными свойствами.

Учёные 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 учёных стал графитоподобный нитрид углерода, или g-C₃N₄. В отличие от графена, который блестяще проводит ток, это полупроводник, состоящий из распространённых 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.

Учёные решили теоретически просчитать, что произойдёт, 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 создаёт 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 зелёный 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 ещё недавно казалось лабораторным курьёзом с графеном, сегодня превращается в инженерный метод создания новых материалов. История твистроники только начинается, и нитрид углерода обещает стать одной из её ярких глав.

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