Нанопористые углеродные материалы становятся все более востребованными в качестве материала для изготовления нового класса устройств и совершенствования уже существующих. К нанопористым углеродным материалам сегодня относят колонный графен, представляющий собой монослои графена, соединенные между собой вертикально ориентированными углеродными нанотрубками, а также недавно синтезированный лазерно-индуцированный пористый графен. Сферы применения подобных наноматериалов являются суперконденсаторы, аккумуляторные батареи, газовые фильтры и сенсоры ДНК. Несмотря на широкое исследование свойств нанопористого углерода остается очень много вопросов. И главным вопросом является управление свойствами путем модификации, контроля топологии, заполнения пор атомами различных элементов или наночастицами. Прежде всего, интересным и нужным является поиск способов управления электронными свойствами. 

Научный коллектив кафедры радиотехники и электродинамики под руководством профессора Ольги Евгеньевны Глуховой совместно с учеными Института высокопроизводительных вычислений (Агентство по науке, технологиям и исследованиям, Сингапур) провели детальные компьютерные исследования процесса заполнения атомами калия нанопор планарного слоистого и объемного колонного графена, а также пленок и 3D-образцов стеклоподобного пористого углерода. С помощью высокоточных квантовых методов и метода молекулярной динамики  было показано, что высокоэнергетичные пучки нейтральных атомов калия способны проникать на десятки слоёв внутрь композита. Установлена критическая энергия пучка, соответствующая скорости атомов ~200 м/с. Дальнейшее увеличении энергии приводит к локальной деструкции углеродного каркаса. Однако, серия численных экспериментов показала, что каркас нанопористого углеродного материала релаксирует после соударения с атомами калия и восстанавливает свою целостность.

Также впервые установлено, что контролировать концентрацию калия в порах можно, направляя пучок атомов калия. Малая концентрация калия достигается при вертикальном направлении движения пучка к поверхности композита. Значительное увеличение концентрации наблюдается при направлении пучка на боковую поверхность композита. Исследования коллектива показали, что электронными параметрами нанопористого углеродного материала можно эффективно управлять, регулируя 1) концентрацию калия в нанопорах; 2) размеры нанопор. 

Полученные результаты открывают новый путь разработчикам эмиссионной электроники, поскольку разработанный авторами новый подход заполнения нанопор и установленные закономерности электропроводности допированного калием нанопористого углеродного материала позволяют контролировать и управлять работой выхода электронов. 

Результаты опубликованы в высокорейтинговом журнале Королевского химического общества Великобритании - Nanoscale (Impact factor: 6.97). Полный текст статьи - на сайте журнала Nanoscale, 2019, 11, 16414–16427.

Рисунки иллюстрируют процесс и результат заполнения нанопор калием.