В названии статьи[1] утверждается, что полимер – фуллерид лития Li4C60 является суперионным проводником. Такое категорическое утверждение, да еще выложенное в заглавие, говорит о том, что авторы хорошо понимали, какого масштаба результат выносят на суд общественности
Суперионные проводники появились как понятие и термин в конце семидесятых годов прошлого века, хотя с материалами этого типа экспериментировал еще Фарадей. К суперионным проводникам относят материалы, являющиеся изоляторами по электронному току, но с высокой проводимостью по току ионов (от 10-1 – 10-2 См/cм). В некотором смысле это аналоги металлов, только вместо электронной ферми-жидкости в их решетке налита тяжелая классическая жидкость ионов, причем, в каждом суперионике – ионов одного конкретного типа. Второе название материалов этого класса – твердые электролиты – характеризует их достаточно точно; отличие от жидких электролитов в том, что в твердых ток переносится только одним типом ионов, остальные же образуют жесткую кристаллическую решетку. Для исследователя, привыкшего к объектам физики конденсированного состояния, материал в чем-то противоестественен. Глядя на крупный, порядка кубического сантиметра, прозрачный, чуть желтоватый монокристалл RbAg4I5, невозможно представить себе, что это только футляр для расплавленной (при комнатной температуре) подрешетки катионов серебра.
Суперионные проводники имеют массу применений, наиболее интересные – для конденсаторов сверхвысокой емкости, которые впервые были использованы в космических аппаратах Apollo. В литий-ионных батареях самообразующаяся суперионная пленка предотвращает замыкание катода и анода и саморазряд батареи электронным током.
Фуллериты известны, наверное, даже еще шире. Они – производная фуллеренов, о существовании которых ученые узнали в 1985 году. В ходе исследования свойств сферических молекул оказалось, что молекулы фуллеренов способны образовывать соединения с щелочными металлами – фуллериты, которые уже не молекулы, как фуллерены, а макроскопический материал, обладающий кристаллической решеткой. Как оказалось, фуллериты могут быть сверхпроводниками, причем некоторые до довольно высоких (по меркам классической сверхпроводимости) температур – около 30 К. Но в целом, фуллерен и его производные оказались скорее чудом природы и предметом любования, а не чем-то конкретно полезным.
И вот, сообщение о суперионной проводимости фуллерита связало то, что раньше не имело параллелей ни в каком контексте.
Правда, если задуматься заранее, такое можно было предугадать. Большие молекулы фуллерена, соединяясь в решетку, оставляют достаточно большие полости – “каналы”, по которым способны передвигаться маленькие подвижные ионы. Но легко ли знать, о чем нужно задуматься заранее? К тому же с ионной проводимостью не все так просто. Обычно большие ионы в полости не проходят, но и слишком маленькие имеют низкую подвижность, т.к. локализуются на стенках “каналов”. Чтобы ион действительно мог двигаться в решетке, должен быть сбалансирован целый ряд взаимодействий между ионом и решеткой. В конечном итоге, как часто бывает, успех (в данном случае высокая проводимость) – в значительной мере дело случая.
В своем стремлении преподнести вновь открытый суперионный материал с самой лучшей стороны, авторы грешат избыточной критикой суперионных проводников, которые были известны до них. Энергия активации диффузии лития в новом материале, приводимая авторами – около 200 мэВ, действительно меньше, чем у “большинства” супериоников (как пишут они), но заметно больше чем у некоторых высокопроводящих суперионных проводников (например, 50 мэВ у α-AgI). Аналогично и с проводимостью – у нового материала при комнатной температуре проводимость 10-2 См/см, а у рубидий-серебра пентаиодистого, используемого в технике с 70-х годов – более 1 См/см. Да и вообще в том, что материал удалось записать в суперионные проводники, есть значительный элемент случайности. Все остальные фуллериты – металлы, и даже при большой ионной проводимости они могли бы оказаться лишь в классе т.н. “смешанных проводников” – материалов, проявляющих и электронную и ионную проводимость. Li4C60 оказался материалом с запрещенной зоной полупроводникового типа шириной около 0.77 эВ. Благодаря этому вблизи комнатной температуры его электропроводность преимущественно ионная, что и позволило авторам отнести его к суперионным проводникам.
Пока свойства нового материала еще слишком мало изучены для того, чтобы можно было прогнозировать его будущие применения. Но, как правило, все интересное появляется на стыке областей.
1. M.Riccò et al., Phys. Rev. Lett. 102, 145901 (2009)
2. http://www.nanonewsnet.ru