Группа учёных из Обернского университета разработала новый класс материалов, который даёт учёным беспрецедентный контроль над электронами. В их исследовании, опубликованном в ACS Materials Letters, описывается настраиваемая связь между молекулярными комплексами изолированных металлов, известными как сольватированные электронные предшественники, в которых электроны не привязаны к атомам, а свободно перемещаются в открытом пространстве.
Электроны играют ключевую роль в передаче энергии, образовании связей и проводимости, а значит, являются основой химического синтеза и современных технологий. В химических процессах электроны запускают окислительно-восстановительные реакции, обеспечивают образование связей и играют важнейшую роль в катализе. В технологических приложениях управление потоком электронов и их взаимодействием определяет работу электронных устройств, алгоритмов искусственного интеллекта, фотоэлектрических систем и даже квантовых компьютеров. В большинстве материалов электроны прочно связаны с атомами, что ограничивает возможности их использования. Но в электридах электроны перемещаются свободно, открывая совершенно новые возможности.
«Научившись управлять этими свободными электронами, мы сможем создавать материалы, которые будут делать то, для чего природа их не предназначала», — говорит доктор Эвангелос Милиордос, доцент кафедры химии в Обернском университете и старший автор исследования, основанного на современных вычислительных методах.
В своей работе команда из Обернского университета предложила новые структуры материалов, получившие название «поверхностно-иммобилизованные электриды». Они представляют собой особые молекулы — сольватированные предшественники электронов — закреплённые на стабильных поверхностях, таких как алмаз и карбид кремния. Такая конструкция делает электронные свойства электридов устойчивыми и настраиваемыми. В зависимости от расположения молекул электроны могут образовывать изолированные «островки», которые действуют как квантовые биты для передовых вычислений, или обширные металлические «моря», которые запускают сложные химические реакции.
Именно эта гибкость делает открытие таким важным. Одна конфигурация может помочь в создании квантовых компьютеров — машин, которые обещают решать задачи, недоступные для лучших современных суперкомпьютеров. Другая может послужить основой для катализаторов нового поколения — материалов, которые ускоряют химические реакции и могут изменить способы производства топлива, лекарств или промышленных товаров.
«По мере того как наше общество расширяет границы существующих технологий, растёт спрос на новые виды материалов, — говорит доктор Марсело Курода, доцент кафедры физики в Обернском университете. — Наша работа открывает новые пути к созданию материалов, которые можно использовать как для фундаментальных исследований взаимодействий в материи, так и для практического применения».
Ранние версии электридов были нестабильными, и их было сложно масштабировать. Нанеся их непосредственно на твёрдые поверхности, команда из Обернского университета преодолела эти препятствия и предложила семейство структур материалов, которые могут перейти от теоретических моделей к реальным устройствам. «Это фундаментальная наука, но она имеет вполне реальное значение, — говорит доктор Константин Клюкин, доцент кафедры материаловедения в Обернском университете. — Мы говорим о технологиях, которые могут изменить способы вычислений и производства».
Теоретическое исследование было проведено преподавателями химии, физики и материаловедения Обернского университета. «Это только начало, — добавляет Мильордос. — Научившись управлять свободными электронами, мы сможем представить себе будущее с более быстрыми компьютерами, умными машинами и новыми технологиями, о которых мы пока даже не мечтали».