От Терминатора модели Т1000 до костюма Человека-паука — самовосстанавливающиеся роботы и материалы широко представлены в научно-фантастических фильмах. В действительности, однако, износ снижает эффективность электронных устройств до тех пор, пока их не потребуется заменить. Но как было бы здоровое, если бы треснувший экран вашего смартфона восстанавливал себя за ночь, или солнечные панели, обеспечивающие энергией спутники, постоянно "залечивали" повреждения, нанесенные микрометеоритами?
Область самовосстанавливающихся материалов быстро развивается, и то, что раньше было научной фантастикой, вскоре может стать реальностью благодаря ученым Техниона — Израильского технологического института, которые разработали экологически чистые нанокристаллические полупроводники, способные к самовосстановлению. Их работы, недавно опубликованные в Advanced Functional Materials, описывают процесс, в котором группа материалов, называемых двойными перовскитами, проявляет свойства самовосстановления после повреждения излучением электронного луча. Перовскиты, впервые обнаруженные в 1839 году, недавно привлекли внимание ученых благодаря уникальным электрооптическим характеристикам, которые делают их высокоэффективными в преобразовании энергии, несмотря на недорогое производство. Особое внимание было уделено использованию перовскитов на основе свинца в высокоэффективных солнечных элементах.
Исследовательская группа Техниона под руководством профессора Йонадава Бекенштейна с факультета материаловедения и инженерии и Института твердого тела Техниона ищет экологически чистые альтернативы токсичному свинцу и инженерным бессвинцовым перовскитам. Команда специализируется на синтезе наноразмерных кристаллов новых материалов. Контролируя состав, форму и размер кристаллов, они изменяют физические свойства материала.
Нанокристаллы — это мельчайшие частицы материала, которые остаются стабильными в природе. Их размер делает определенные свойства более выраженными и позволяет использовать исследовательские подходы, которые были бы невозможны для более крупных кристаллов, например, визуализацию с помощью электронной микроскопии, чтобы увидеть, как движутся атомы в материалах. Фактически это был метод, позволивший обнаружить самовосстановление в бессвинцовых перовскитах.
Наночастицы перовскита были получены в лаборатории профессора Бекенштейна с помощью короткого и простого процесса, который включает нагревание материала до 100°C в течение нескольких минут. Когда ученые исследовали частицы с помощью просвечивающего электронного микроскопа, они обнаружили интересное явление. Электронный пучок высокого напряжения, используемый в этом типе микроскопа, вызывал дефекты и отверстия в нанокристаллах. Затем исследователи смогли изучить, как эти отверстия взаимодействуют с окружающим их материалом, двигаются и трансформируются внутри него.
Они увидели, что отверстия свободно перемещаются внутри нанокристалла, но избегают его краев. Исследователи разработали код, который проанализировал десятки видеороликов, сделанных с помощью электронного микроскопа, чтобы понять динамику движения внутри кристалла. Они обнаружили, что дырки образовывались на поверхности наночастиц, а затем перемещались в энергетически стабильные области внутри. Было высказано предположение, что причиной движения дырок внутрь являются органические молекулы, покрывающие поверхность нанокристаллов. Как только эти органические молекулы были удалены, группа обнаружила, что кристалл самопроизвольно выбрасывал отверстия на поверхность и обратно, возвращаясь к своей первоначальной первозданной структуре — другими словами, поверхность восстанавливалась.
Это открытие является важным шагом на пути к пониманию процессов, которые позволяют наночастицам перовскита исцелять себя, и прокладывает путь к их включению в солнечные панели и другие электронные устройства.
