Ученые НИЯУ МИФИ построили трехмерные кристаллы из «четырехмерных» молекул

Исследователи Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике (ИНТЭЛ) НИЯУ МИФИ смоделировали и рассчитали свойства трехмерных кристаллов из «четырехмерных» молекул гиперкубана. Результаты работы опубликованы в научном журнале Materials Today Communications (https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.106146).

Верхний ряд: молекула гиперкубана C40H24. Средний ряд: три способа соединения двух гиперкубанов. Нижний ряд: кристаллические ячейки для аллотропных форм гиперкубана с простой кубической, объёмно-центрированной и гранецентрированной кубической решётками

Куб – одна из самых простых и «естественных» геометрических фигур. Однако в мире углеводородных молекул, которые принимают самые причудливые формы, куб является экзотикой.

Молекула кубана C₈H₈, имеющая кубическую форму, была синтезирована в 1964 году путем сложной многоступенчатой реакции. Кубан оказался сверхплотным углеводородом, почти вдвое плотнее бензина. Несмотря на сложность синтеза, это соединение не только продемонстрировало высокую устойчивость, но и стало родоначальником целого семейства производных молекул, которые нашли применения в качестве энергоэффективных топлив и лекарств. В 2022 году 58-летний кубан снова привлек внимание общественности, появившись на страницах известного научного журнала Science: на его основе был создан «крошечный пожиратель электронов».

Вдохновляясь успехом кубана и фантастическим сериалом «Кинематографическая вселенная Marvel», Фабио Пичиерри в 2014 году предложил еще более сложную углеводородную молекулу – гиперкубан. Она имеет две оболочки, вложенные одна в другую, и напоминает проекцию четырехмерного куба (гиперкуба) на трехмерное пространство: видимые трехмерные кубы представляют собой грани гиперкуба.

Исследователи НИЯУ МИФИ начали изучать эту молекулу в 2017 году, рассказал профессор ИНТЭЛ НИЯУ МИФИ Михаил Маслов.

«Казалось, что молекула такой формы должна моментально рассыпаться. Однако наши расчеты показали, что при комнатной температуре она может прожить около 3 миллионов лет», - отметил он.

В 2020 году китайские ученые исследовали двумерные кристаллы на основе молекулы гиперкубана. Сотрудники НИЯУ МИФИ решили пойти дальше и проверить, не может ли гиперкубан образовывать трехмерные кристаллы. Для этого они построили структурные модели таких кристаллов и решили квантово-механические уравнения, которые описывают поведение их электронов. Результаты превзошли все их ожидания, отметил профессор ИНТЭЛ НИЯУ МИФИ Константин Катин.

Исследователи установили, что из-за своей необычной структуры гиперкубан может образовывать аллотропные формы со всеми тремя типами кубических кристаллических решеток: простой кубической, объемно-центрированной и гранецентрированной.

«Первые две формы оказались полупроводниками, а последняя – проводником. Необычное электронные и оптические свойства кристаллических форм, а также их прочность и стабильность делают их полезными материалами для изготовления фотокализаторов и электронных устройств», - рассказал Константин Катин.

Ученые НИЯУ МИФИ продолжают изучать гиперкубан. Следующим шагом станет оценка потенциала использования этого материала в литий-ионных аккумуляторах. Чем более впечатляющие результаты будут получены в рамках теоретического моделирования, тем сильнее будут стимулы для скорейшего синтеза и производства гиперкубанов, считают авторы исследования.