Группа исследователей из Токийского университета создала полупроводниковые нанотрубки диаметром всего 1 нанометр, что примерно в 100 000 раз тоньше человеческого волоса. Эти структуры, лишенные дефектов и имеющие коаксиальную форму, открывают перспективы для производства сверхминиатюрных электронных устройств нового поколения.
Ирина Медведева
Иллюстрация нанотрубок диаметром 1 нм. Источник: ©2026 Nakanishi et al. CC-BY-ND
Ученые получили однородные нанотрубки из дисульфида молибдена, выращивая их внутри защитных оболочек из нитрида бора. Такой подход позволил добиться высокой точности размеров и атомарной упорядоченности.
По словам доцента Юсукэ Наканиши из департамента передовых материаловедческих исследований, работа демонстрирует возможность структурного контроля неорганических полупроводниковых нанотрубок на уровне отдельных атомов. Он также отметил, что эксперименты подтвердили теоретическое предсказание, сделанное более 25 лет назад: ширина запрещенной зоны нанотрубок уменьшается при сокращении их диаметра.
За пределами углерода
Долгое время считалось, что углеродные нанотрубки станут основой будущих вычислительных систем. Однако их серьезный недостаток — микроскопический изгиб может кардинально изменить свойства, превращая стабильный полупроводник в неупорядоченный металлический проводник.
Такая нестабильность делала невозможным массовое производство надежных процессоров. Японская команда решила эту проблему, заменив чистый углерод на дисульфид молибдена. Нанотрубки из этого соединения обладают стабильными характеристиками и считаются перспективной альтернативой углеродным аналогам.
Несмотря на то, что эти структуры пока остаются экспериментальными, их надежные свойства привлекают внимание инженеров. Они могут найти применение в передовой полупроводниковой электронике, высокоточных сенсорах и квантово-физических исследованиях.
Традиционные методы обычно давали многослойные нанотрубки неправильной формы размером более 10 нанометров. Новая разработка позволила получить одностенные нанотрубки шириной всего 1 нанометр.
Точность была достигнута за счет проведения химических реакций в узких пределах нанотрубок из нитрида бора. Защитная внешняя среда обеспечивает высокую однородность структуры с четким расположением атомов, что критически важно для инженерных применений.
Инновационный метод преодолевает структурную нестабильность, которая ранее мешала образованию таких сверхмалых объектов. Наканиси подчеркнул, что даже небольшие структурные различия в нанотрубках сильно влияют на их свойства, и контроль на атомарном уровне делает работу транзисторов более стабильной и воспроизводимой.
Структурные преимущества более тонких нанотрубок. Источник: ©2026 Nakanishi et al.
Предстоит долгий путь к практическим методам
И все же на фоне этого прорыва особенно заметным становится контраст с двадцатипятилетним научным спором, который японским учёным удалось завершить. Теоретики предсказывали, что по мере уменьшения диаметра нанотрубки её запрещённая зона будет сужаться, но экспериментально подтвердить это удалось только сейчас — на образцах шириной в один нанометр.
Дело в том, что чем тоньше полупроводниковая структура, тем сильнее в ней проявляются квантово-размерные эффекты: электроны ведут себя уже не как классические частицы, а как волны, ограниченные в пространстве.
Сужение запрещённой зоны означает, что для переключения транзистора требуется меньше энергии, а сами устройства могут работать при более низких напряжениях. Это напрямую ведёт к снижению тепловыделения и повышению энергоэффективности — двум ключевым проблемам современной микроэлектроники, где нанотранзисторы подходят к фундаментальным физическим пределам кремниевой технологии.
Наконец, нельзя не отметить, что работа японских материаловедов возвращает доверие к полупроводниковым нанотрубкам как к платформе для посткремниевой электроники.
Углеродные нанотрубки долгие годы оставались фаворитами, но их фатальная нестабильность — малейшее искривление меняло электрические свойства — заставляла инженеров искать альтернативы.
Дисульфид молибдена не только решает эту проблему, но и предлагает более широкое окно для настройки свойств за счёт контролируемого изменения диаметра. Поэтому, хотя до внедрения таких нанотрубок в коммерческую электронику остаются годы, научное сообщество уже получило чёткое направление.
Следующие пять-десять лет, вероятно, будут посвящены не столько доказательству принципиальной возможности, сколько поиску практических методов масштабирования, интеграции и тестирования надёжности этих структур в реальных устройствах.
Перспектива применения
Метод вложения может быть использован для производства новых классов неорганических нанотрубок, включая магнитные и сверхпроводящие материалы, которые востребованы в науке.
В будущем этот прорыв расширит область нанотрубок далеко за пределы углеродных систем, открыв путь к созданию материалов с атомарным контролем для передовых исследований, высокоточного зондирования и более компактных и быстрых электронных устройств. Исследование было опубликовано в журнале Science .
Ещё один важный аспект открытия — его универсальность. Метод вложения, применённый к дисульфиду молибдена, в принципе может быть распространён на другие неорганические соединения.
Учёные уже задумываются о создании магнитных и сверхпроводящих нанотрубок — материалов, которые до сих пор существовали преимущественно в умозрительных моделях.
Если удастся синтезировать, например, одностенные нанотрубки из оксида ванадия или селенида ниобия с таким же атомарным контролем, это откроет дорогу к новым типам квантовых сенсоров, логических элементов на спиновых токах и даже элементам памяти, работающим на принципах сверхпроводимости.
Пока это футуристические прогнозы, но именно такие фундаментальные работы, как опубликованная в Science, обычно и начинают цепочку неожиданных технологических прорывов.
Однако путь от лабораторного эксперимента до промышленного конвейера остаётся долгим. Исследователи уже обозначили ближайшую инженерную задачу: увеличить длину нанотрубок с нескольких сотен нанометров хотя бы до одного микрометра.
Сегодняшние образцы слишком коротки, чтобы на их основе можно было собрать полноценный транзистор с надёжными контактами и управляющим затвором. Вторая проблема — масштабируемость метода.
Сейчас рост трубок происходит внутри защитных оболочек из нитрида бора, что даёт превосходный контроль над атомной структурой, но сам процесс остаётся медленным и трудоёмким. Потребуются годы работы, чтобы разработать технологию, пригодную для массового производства, но первый шаг — доказательство принципиальной возможности — уже сделан.
Еще читайте о том, как ученые ПНИПУ улучшили органические полупроводники и продлили срок службы перовскитных солнечных батарей до 99% эффективности.