Как двумерный материал приобрел свою форму

27 October 2019
https://i.pinimg.com/236x/df/1a/d1/df1ad16890d004e2ab3946489d17bf22.jpg
https://i.pinimg.com/236x/df/1a/d1/df1ad16890d004e2ab3946489d17bf22.jpg

С момента своего открытия в 2004 году графен - атомарно тонкий материал с удивительной прочностью и электрическими свойствами - вдохновлял ученых всего мира на разработку новых двумерных материалов для широкого спектра применений, от возобновляемых источников энергии и катализаторов до микроэлектроники.

В то время как двумерные структуры естественным образом образуются в таких материалах, как графен, некоторые ученые стремились создать двумерные материалы из полупроводников, называемые оксидами переходных металлов: соединения, состоящие из атомов кислорода, связанных с переходным металлом, таким как кобальт.

Но хотя ученые давно знают, как создавать наночастицы оксидов переходных металлов, никто не нашел контролируемого способа выращивания этих трехмерных наночастиц в нанолисты, представляющие собой тонкие двухмерные материалы толщиной всего несколько атомов.

Теперь команда ученых, возглавляемая сотрудниками Национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) при Министерстве энергетики США, получила ценную информацию о естественной наночастицы оксида металлов переходного периода в 3D для двумерного роста.

Используя жидкофазный просвечивающий электронный микроскоп (ТЭМ) в молекулярном литейном цехе Berkeley Lab для экспериментов, соавтор Хаймеи Чжэн и ее команда непосредственно наблюдали динамику роста кобальт-оксидных наночастиц в растворе и их последующее преобразование в плоский 2-D нанолист.

"Такое 3-D - 2-D преобразование очень похоже на яичный белок, распространяющийся по сковороде, - говорит Чжэн, старший научный сотрудник отдела материаловедения лаборатории Беркли, который руководил этим исследованием.

Обнаруживается новая энергия.

https://www.mirprognozov.ru/uploads/images/111grafen.jpg
https://www.mirprognozov.ru/uploads/images/111grafen.jpg

Но расчеты под руководством автора-корреспондента Лина-Ван Ванга выявили еще одну энергию, которая ранее оставалась незамеченной.

В фасетированной, прямоугольной наночастице, такой как наночастица оксида переходного металла, край граня также вносит свой вклад в энергию, в данном случае положительный энергетический эффект, препятствуя росту и форме наночастицы.

Но для того, чтобы наночастица окиси металла выросла в двумерный нанолист, поверхностная энергия должна быть отрицательной.

"И именно баланс между этими двумя энергиями, одной отрицательной и одной положительной, определяет изменение формы", - сказал Ванг.

Для наночастиц меньшего размера выигрывает положительная энергия края, что приводит к компактной 3-D форме.

Но когда наночастицы окиси кобальта растут больше, они достигают критической точки, когда выигрывает отрицательная поверхностная энергия, в результате чего образуется 2-D нанолист, объяснил он.

Ванг, старший научный сотрудник отдела материаловедения лаборатории Berkeley Lab, провел расчеты для исследования суперкомпьютеров в Национальном центре научных вычислений в области энергетики (NERSC) лаборатории Berkeley Lab's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).

Открывая эти пути роста, включая переход от 3-D к 2-D, Чжэн добавил, что открывает новые возможности для оптимизации проектирования экзотических новых материалов из соединений, чьи неправильные атомные структуры, такие как оксиды переходных металлов, сложнее графена синтезировать в многослойные 2-D устройства.

Чжэн и ее команда пришли к выводу, что исследование не было бы возможным с помощью обычного электронного микроскопа.

С помощью жидкофазной ТЭМ на Молекулярном литейном заводе исследователи смогли изучить рост атомарно тонких материалов в растворе путем инкапсулирования образца жидкости в специально разработанную жидкостную ячейку.

Ячейка предотвращала разрушение образца в высоком вакууме электронного микроскопа.

"Невозможно было бы узнать такой путь роста без такого наблюдения in situ", - сказал первый автор Хуан Ян, который на момент проведения исследования был приглашенным доктором наук в лабораторию Беркли из Даляньского технологического университета Китая.

"Это открытие может изменить наш будущий дизайн материалов с улучшенными поверхностными свойствами для катализа и сенсорного применения в будущем".

https://i.pinimg.com/236x/d0/16/83/d01683b9a0521de508c358a027bf8a21.jpg
https://i.pinimg.com/236x/d0/16/83/d01683b9a0521de508c358a027bf8a21.jpg

Следующие шаги

Исследователи планируют сосредоточиться на использовании жидкоклеточной ТЭМ для выращивания более сложных 2-D материалов, таких как гетероструктуры, напоминающие сэндвичи из слоистых материалов с различными свойствами.

"Как архитектор, вдохновленный тем, как выросло древнее гигантское красное дерево, материаловеды вдохновляются на разработку все более сложных конструкций для хранения энергии", - сказал Чжэн, который в 2009 году стал пионером в области жидкостных клеток TEM в лаборатории Berkeley Lab.

"Но почему они так растут? Нашей сильной стороной в Berkeley Lab является то, что мы можем изучать их на атомном уровне и наблюдать, как они растут в режиме реального времени и определять механизмы, которые будут способствовать разработке более совершенных материалов".