Когда металл растет как цветок

Юрию Андреевичу Осипьяну – директору нашего института, Учителю и хорошему человеку

Сотри случайные черты –
И ты увидишь: мир прекрасен.
Александр Блок

Нанопровода – это тончайшие (менее 100 нм в поперечнике и до десятков мкм длиной) нити. Их используют для соединения нано- и микрокомпонентов интегральных схем и микроэлектрических механических систем.

А в одной из последних разработок исследовательского центра американской компании IBM магнитный нанопровод (диаметром 30 нм и длиной 1 мкм) сам стал элементом системы хранения информации, которая кодируется движением вдоль провода доменных стенок (границ между областями с различной намагниченностью), а само движение и считывание информации производят импульсами спин-поляризованного тока. Цель этой разработки – создание накопителей с повышенной плотностью информации и с малым энергопотреблением (Thomas, 2010).

В Институте физики твердого тела РАН (г. Черноголовка Московской обл.), где материаловедение является одним из главных научных направлений, успешно занимаются разработкой и исследованием наноструктурных металлических покрытий и нанопроводов с магнитными и сверхпроводящими свойствами. Такие сверхпроводящие и магнитные нанопровода используют здесь как удобные «одномерные» объекты для реализации идей в области магнитоэлектроники или «спинтроники», как ее часто называют потому, что здесь «работает» собственный момент импульса (т. е. «спин» электрона).

Так, с помощью гибридных наноструктур, созданных в институте, группе проф. В. В. Рязанова из лаборатории сверхпроводимости ИФТТ впервые в мире удалось экспериментально доказать реальность существования так называемого джозефсоновского «p» контакта (Ryazanov et al., 2001), предсказанного российскими физиками для слоистых «сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник» еще три десятилетия назад (Булаевский и др., 1977; Буздин и др., 1982). Эти результаты дали толчок к развитию исследований, в перспективе которых просматривается создание эффективной сверхпроводящей цифровой электроники.

Оживший металл

Возвращаясь к нанопроводам, отметим, что за последние 15—20 лет их научились выращивать во многих лабораториях мира самыми разными методами: из газовой фазы, гидротермальным методом, химическим и электрохимическим осаждением.

В ИФТТ РАН нанопровода выращивают электроосаждением импульсным током в пористые мембраны на автоматической установке, позволяющей проводить осаждение из двух ванн с различными электролитами (Струков и др., 2009). Чтобы увидеть конец процесса осаждения визуально, на глазок, исследователи продолжили электролиз, даже когда нанопровода уже вышли на поверхность мембраны. В дальнейшем предполагалось счистить образовавшийся осадок с мембраны, растворить ее и выделить выросшие в порах нанопровода. Но перед этим Г. Струкова, один из авторов, решила рассмотреть «ненужный» осадок в микроскоп.

Снимки, полученные с помощью электронного микроскопа, поразили: металлические мезаструктуры, выросшие на поверхности мембраны, имели удивительное сходство с биологическими объектами – растениями, грибами, ракушками. Что это – случайность, артефакт, достойный Шнобелевской премии? Однако дальнейшие исследования показали, что эти фантастические выпукло-вогнутые модели воспроизводятся при определенных режимах импульсного тока. А это значит, что процессом формообразования можно управлять!

После дробления таких «ракушек» в ультразвуковой ванне и химического травления полностью выявилась их архитектура. Оказалось, что эти слоистые трехмерные структуры, как из кирпичиков, собраны из наноразмерных конических пучков, которые образовались в результате самоорганизации выросших из мембраны нанопроводов.

По единым законам?

Таким образом, оказалось, что в удивительных металлических образованиях повторяется не только внешняя форма биологических объектов, но и характерная для них иерархическая структура. Значит ли это, что процесс выращивания металлического образца импульсным током на пористой мембране можно использовать как модель формообразования для растений и грибов?

Известно, что морфогенез живых организмов, отличающийся чрезвычайной сложностью, включает в себя этапы роста и развития клеток (цитогенез), тканей (гистогенез) и органов (органогенез), генетически запрограммированные и скоординированные между собой. Ориентация роста в пространстве, т. е. поляризация биологических тканей, регулируется многими факторами, такими как градиенты осмотического давления, кислотность, сила тяжести, контакты с соседними клетками и т. д. И все же нужно признать, что в нашем случае сходство формы живых организмов и металлических моделей не случайно, но обусловлено сходством неких важных закономерностей их роста.

Действительно, в обоих случаях рост происходит на шаблонах («темплатный» рост), роль которых в случае металлических моделей выполняют мембраны с вышед­шими на поверхность волокнами (проводами). Рост растений начинается из отдельных точек роста («верхушек роста»), расположение которых определяет будущую форму растения. Рост металлических кластеров в процессе электроосаждения осуществляется схожим образом: атомы металла присоединяются к «зародышам», расположение которых в массе растущих проводов определяет форму будущей структуры.

Такой механизм роста, так же как и в растениях, приводит к ветвлению и формированию фрактальных элементов. И действительно, практически все выращенные металлические структуры являются фракталами, включая «цветную капусту», «брокколи», «папоротник», «очиток», «капустные листья» и «ракушки». И, наконец, и для живых, и для неодушевленных объектов характерен импульсный или неравномерный характер роста.

Все эти общие признаки, а также многообразие получаемых структур, возможность регулирования их формы, наличие иерархической структуры и, наконец, их удивительное сходство с живыми объектами позволяют отнести электроосаждение импульсным током на темплатах к так называемым биомиметическим методам, т. е. методам, которые работают на основе принципов, реализованных в живой природе.

Эти же аргументы дают основания предположить, что импульсный рост на шаблонах, сопровождаемый самосборкой растущих кластеров и волокон и фрактальным ветвлением, является инструментом формообразования многих грибов и растений. Разнообразие живых объектов обеспечивается богатым набором форм шаблонов и мембран, которые создаются в результате самоорганизации вещества с участием генетического кода, а также разнообразием режимов импульсного роста, скорость которого меняется в зависимости от условий (интенсивность солнечной радиации, наличие воды и химических веществ – стимуляторов роста).

В конкуренции с природой

Сохранится ли форма металлических моделей и их иерархическая структура при дальнейшем росте? Этот вопрос еще предстоит изучить, но авторам уже удалось вырастить «ракушку» из никельпалладиевого сплава размером 4 × 2 мм.

Еще один важный и насущный вопрос связан с возможными практическими приложениями этих удивительных мезоструктур. Нужно заметить, что сегодня в мире ведется активный поиск материалов, копирующих природные, и биомиметических методов их синтеза (Wang et al., 2011; Сorni et al., 2012). Дело в том, что за миллионы лет эволюции природе удалось создать материалы с уникальными характеристиками, пока не достижимыми для искусственных материалов.

Классический пример – лист лотоса, обладающий свойством «супергидрофобности» и способностью к самоочищению. Электронно-микроскопические исследования показали, что этими качествами он обязан особой иерархической структуре поверхности, с шероховатостью на микро- и нано-уровнях. Разработка металлических супергидрофобных самоочищающихся поверхностей – одно из возможных будущих приложений нового метода. А полые «бутоны» с отверстием и толщиной стенки 10—30 нм представляют собой готовые металлические контейнеры или реакторы, удобные для использования в сфере нанотехнологий.

Все полученные электроосаждением импульсным током металлические мезоструктуры обладают большой поверхностью и электропроводящей наноархитектурой, поэтому представляют немалый интерес для применения в электрокатализе, гальванических элементах и электрохимических конденсаторах. Они также могут эффективно использоваться и в областях, связанных с металлическими катализаторами и наноплазмоникой. Например, недавно на композитной мезоструктуре «металл-полупроводник» был достигнут эффект плазмонного катализа, открывающий перспективы более эффективного использования солнечной энергии (Linic et al., 2011).

Не исключено, что все многообразие структур, которые могут быть созданы новым биомиметическим методом, окажется значительно шире, чем сегодня можно себе представить. Вероятно, в будущем удастся путем самосборки формировать и необходимые физикам элементы гибридных мезоструктур с заданным порядком сверхпроводящих, магнитных и нормальных металлов, исключив тем самым хотя бы часть очень сложных и дорогих операций напыления в высоком вакууме.

Будущие эксперименты должны дать ответы на эти вопросы и, как надеются создатели новой технологии, приблизить время ее практического использования.

Литература

Струков Г. В. и др. Установка для получения металлических многослойных покрытий с нанометровой толщиной слоев // Приборы и техника эксперимента. 2009. № 5. С.123—126.

В статье использованы фото авторов