«В отличие от графена, гексагональной сотовой структуры с атомами углерода на стыках, фаграфен состоит из пента-, гекса- и семиугольных углеродных колец. Его название происходит от сокращения Penta-Hexa-heptA-graphene, – говорит Оганов, руководитель Лаборатории компьютерного дизайна МФТИ.
Двумерные материалы, состоящие из слоя толщиной в один атом, в последние несколько десятилетий привлекают большое внимание ученых. Первый из этих материалов – графен – был открыт в 2004 году двумя выпускниками МФТИ, Андре Геймом и Константином Новоселовым.
В 2010 году за это достижение Гейм и Новоселов были удостоены Нобелевской премии по физике.
Благодаря своей двумерной структуре графен обладает совершенно уникальными свойствами. Большинство материалов могут передавать электрический ток, когда несвязанные электроны имеют энергию, соответствующую зоне проводимости материала. Когда существует разрыв между диапазоном возможных энергий электронов, валентной зоной и диапазоном проводимости (так называемая запрещенная зона), материал действует как изолятор.
Когда валентная зона и зона проводимости перекрываются, она действует как проводник, и электроны могут перемещаться под действием электрического поля.
В графене каждый атом углерода имеет три электрона, которые связаны с электронами в соседних атомах, образуя химические связи. Четвертый электрон каждого атома «делокализован» по всему листу графена, что позволяет ему проводить электрический ток. В то же время запрещенная зона в графене имеет нулевую ширину.
Если вы изобразите энергию электронов и их положение в виде графика, вы получите фигуру, напоминающую песочные часы, i.е. два конуса, соединенные вершинами. Они известны как конусы Дирака.
Благодаря этому уникальному условию электроны в графене ведут себя очень странно: все они имеют одну и ту же скорость (которая сравнима со скоростью света), и они не обладают инерцией. Кажется, что у них нет массы. И, согласно теории относительности, частицы, движущиеся со скоростью света, должны вести себя таким образом.
Скорость электронов в графене составляет около 10 тысяч километров в секунду (скорости электронов в типичном проводнике варьируются от сантиметров до сотен метров в секунду).
Фаграфен, открытый Огановым и его коллегами с помощью алгоритма USPEX, а также графен – это материал, в котором появляются конусы Дирака, а электроны ведут себя аналогично частицам без массы.
«В фаграфене из-за разного числа атомов в кольцах конусы Дирака наклонены.’Вот почему скорость электронов в нем зависит от направления. В графене этого не происходит. Было бы очень интересно для будущего практического использования увидеть, где будет полезно изменять скорость электронов », – поясняет Артем Оганов.
Фаграфен обладает всеми остальными свойствами графена, что позволяет считать его передовым материалом для гибких электронных устройств, транзисторов, солнечных батарей, дисплеев и многого другого.