Что такое графен — знают, наверное, все (но всё же напомним, что это материал, состоящий из одного слоя атомов углерода), однако изучены в основном его электрические свойства.

Катод и астралены

Когда-то электроника использовала вакуумные электронные приборы, потом область малых частот и мощностей перешла на полупроводниковые приборы. Но для больших мощностей и частот (радиолокация, космическая связь, ускорители, в перспективе — Токамак) по-прежнему используют вакуумные приборы. Источник электронов — катод, как правило, термоэлектронный. Параметры прибора определяются характеристиками катода: мощность и частота — работой выхода, срок службы — испарением. Поэтому главная забота разработчиков катодов — работа выхода и испарение. Классический сегодняшний катод — вольфрамовая губка, пропитанная солями бария; используется также смесь порошков вольфрама и металлов платиновой группы или вольфрам с покрытием металлами платиновой группы. На поверхности катода образуются кристаллы или плёнка оксида бария с избытком бария — именно они поставляют в вакуум электроны.

Специалисты из Научно-производственного предприятия «Алмаз» (г. Саратов), Саратовского национального исследовательского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского, Первого Московского государственного медицинского университета им. И. М. Сеченова добавили в состав матрицы катода 0,5% порошка астраленов. Это нечто вроде углеродной нанотрубки, но не прямой, а свёрнутой в замкнутое кольцо, тор. Кроме астраленов, авторы добавляли в состав активного вещества катода углероны в количестве 0,2%. Углероны — продукт взаимодействия размолотого каменноугольного пека с серной кислотой с образованием нанокластеров, в том числе графеновых листиков. Авторы оптимизировали технологию изготовления катодов и получили увеличение плотности тока эмиссии в 1,5 раза и срока службы (по ускоренным испытаниям) в 2—6 раз.

Крачковская Т. М., Глухова О. Е., Колосов Д. А. Технология изготовления и эмиссионные свойства модифицированных металлопористых катодов М-типа. ЖТФ, 2025, вып. 5, с. 1039.

Дырки усиливают хемилюминесценцию

При некоторых химических процессах возникает видимое излучение — хемилюминесценция. В природе его можно наблюдать у светлячков. А в науке и технике нашли применение хемилюминесцентные сенсоры, содержащие молекулы люминофоров, которые в химических реакциях с исследуемыми веществами излучают свет. Но часто надо исследовать малые количества вещества, а при хемилюминесценции излучение само по себе слабое, поэтому хотелось бы уметь его усиливать.

Один из способов усиления — плазмонный резонанс. Для этого надо ввести в область, где идёт реакция, металл, в котором возникают поверхностные колебания электронной плотности (плазмоны). Подходит не любой металл, а только обладающий плазмонными свойствами в видимой части спектра. Часто используют серебро и золото, но исследователи из Университета ИТМО (Санкт-Петербург) выбрали более доступный и дешёвый алюминий, который к тому же имеет высокую химическую стойкость. Чтобы возник резонанс, в металле должна быть создана периодическая структура, играющая роль резонатора на нужной длине волны. Тогда, благодаря увеличению скорости спонтанного излучения молекул внутри резонатора (эффект Парселла), произойдёт усиление их общего излучения. Для создания резонанса можно использовать, например, коллоидные растворы наночастиц металла, но в них обычно присутствуют частицы разных размеров, что вызывает «расплывание» спектров и потерю интересной информации. Нельзя ли подобрать что-то маленькое, но одинаковое?

Авторы работы взяли фольгу из алюминия толщиной 20 нм, в которой с шагом 230 нм были проделаны отверстия диаметром 72 нм. Размеры оптимизировались под длину волны 430 нм — максимум полосы хемилюминесценции люминола (люминофора хемилюминесцентных сенсоров, применяемых в биохимии, медицинской диагностике и фармацевтике). Расчёт показал, что люминесценция люминола на этой длине волны увеличилась бы на порядок. Эффект слабо зависит от ориентации молекул в пространстве.

Петров Н. С., Дададжанов Д. Р., Вартанян Т. А. Периодически перфорированная алюминиевая плёнка для усиления хемилюминесценции. Оптика и спектроскопия, 2025, вып. 1, с. 100.

Графен колеблется

Что такое графен — знают, наверное, все (но всё же напомним, что это материал, состоящий из одного слоя атомов углерода), однако изучены в основном его электрические свойства. Про механические свойства графена известно меньше, и это не случайно. Многие перспективные применения графена связаны с тем, что он находится на относительно массивной подложке. В этом случае механические свойства определяются подложкой. Между тем «свободный» графен, то есть лист графена, закреплённый по краям, — тоже интересный и перспективный материал. В таком листке могут возникать колебания, не похожие на те, которые возникают в макроскопических образцах, хорошо известных и изученных в технике, так называемых мембранах.

Формы колебательных мод графенового листа размером 10 х 11 нм. Рисунок из реферируемой статьи.

Исследователи, представляющие Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х. М. Бербекова (г. Нальчик) и Институт ядерных исследований РАН (Москва), используя метод молекулярной динамики, провели моделирование процесса возникновения колебаний в листах графена. Листы отличались размерами и содержанием вакансий. Оказалось, что для листов размерами от 10 х 11 до 10 х 4 нм характерны пять основных колебательных мод в разных комбинациях. Так, для листа 10 х 11 нм существуют все пять мод, для листа 10 х 6 нм — только две моды n = 1 и n = 2, а для листа 10 х 4 нм — всего одна мода n = 4. Причём для листов разных размеров будут разными частоты одних и тех же мод колебаний. Частота первой моды (n = 1) для листа 10 х 11 нм — 0,184 ТГц, а для листа 10 х 6 нм — 0,37 ТГц. Также авторы обнаружили, что в узких графеновых лентах (10 х 4 нм) возникает хаотическая «рябь» малой амплитуды и высокой частоты. При соотношении сторон листа 3,5 : 1 и более рябь приводит не только к снижению частоты основных колебательных мод, но и к их исчезновению. Уменьшает частоту мод и увеличение числа вакансий в графене.

Ахматов З. А., Ахматов З. А. Зависимость частоты колебаний графенового листа от соотношения его сторон и количества дефектов вакансионного типа. Письма в ЖЭТФ, том 121, вып. 9, с. 742.

№7, 2025