Графеновые наноленты выживают под гамма-излучением: новый шаг к термоядерной энергии
Исследователи из Университета Аризоны встроили графеновые наноленты (GNR) в полупроводниковые устройства и облучили их гамма-радиацией. Результаты показали, что наноленты могут служить датчиками радиации для термоядерных реакторов и глубокого космоса, где существующие технологии выходят из строя. «Устройства выживают и реагируют, но их электрические характеристики резко меняются, — говорит ведущий исследователь Зафер Мутлу, доцент кафедры материаловедения. — Это именно то поведение, которое мы хотим от датчика». Об этом сообщает издание Phys.org.
Современные кремниевые датчики не выдерживают условий внутри первой стенки реактора — внутреннего барьера, отделяющего перегретое топливо от конструкции. Инженеры вынуждены размещать их снаружи и полагаться на косвенные измерения, а после остановки проводить физический осмотр. Графеновые датчики, выдерживающие радиацию, могли бы работать ближе к активной зоне, сокращая дорогостоящие простои на обслуживание и увеличивая время работы термоядерных электростанций.
Мутлу и восемь соавторов синтезировали наноленты на молекулярном уровне, используя технологии, которые он помог разработать. Ленты имеют ширину ровно 9 атомов, толщину в 1 атом и длину около 45 нанометров — в десятки тысяч раз тоньше человеческого волоса. В отсутствие радиации ток через GNR течёт предсказуемо, но гамма-излучение, проходя через воздух, создаёт реактивные молекулы, которые слегка изменяют края лент, не нарушая их общей структуры. Квантовые эффекты усиливают влияние этих изменений на перенос электрического сигнала.
Исследователи предполагают, что изменения запускают квантовый эффект Андерсоновской локализации, который захватывает электроны и резко снижает ток, создавая сигнал радиационного воздействия. Это может дать более точные данные для планирования обслуживания реактора. Термоядерный синтез, считающийся перспективным источником чистой энергии, достиг ключевых лабораторных успехов (с 2022 года эксперименты дали больше энергии, чем затратили лазеры), но всё ещё сталкивается с инженерными барьерами.
Помимо термоядерных реакторов, GNR-датчики могут отслеживать состояние космических систем — спутников связи, спутников дистанционного зондирования Земли и глубококосмических зондов — и выявлять ранние признаки радиационного износа до возникновения отказов. Следующий шаг для команды Мутлу — тестирование устройства при разных дозах радиации и изучение нанолент других размеров. «Вы можете проектировать материал атом за атомом, молекула за молекулой, — говорит Мутлу. — Можно сделать его менее чувствительным, более чувствительным или нечувствительным». Такой контроль важен для будущих космических систем, где электроника и датчики должны работать долгое время под непрерывным облучением.
