Todimensionelle materialer springer energibarrieren over ved at vokse en række ad gangen

En ny samarbejdsundersøgelse ledet af et forskerhold ved Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory, University of California, Los Angeles og University of Washington kunne give ingeniører nye designregler for at skabe mikroelektronik, membraner og væv, og åbne op for bedre produktionsmetoder for nye materialer. På samme tid, forskningen, offentliggjort online 6. december i tidsskriftet Videnskab , hjælper med at opretholde en videnskabelig teori, der har været ubevist i over et århundrede.

Ligesom børn følger en regel for at stille en enkelt fil op efter frikvarteret, nogle materialer bruger en underliggende regel til at samle på overflader en række ad gangen, ifølge undersøgelsen.

Nukleation - det første dannelsestrin - er gennemgående i ordnede strukturer på tværs af natur og teknologi, fra skydråber til stenslik. Men på trods af nogle forudsigelser lavet i 1870'erne af den amerikanske videnskabsmand J. Willard Gibbs, forskere diskuterer stadig, hvordan denne grundlæggende proces sker.

Den nye undersøgelse bekræfter Gibbs' teori for materialer, der danner række for række. Ledet af UW kandidatstuderende Jiajun Chen, arbejder hos PNNL, forskningen afdækker den underliggende mekanisme, som udfylder et grundlæggende videnshul og åbner nye veje inden for materialevidenskab.

Chen brugte små proteinfragmenter kaldet peptider, der viser specificitet, eller unikke tilhørsforhold, til en materialeoverflade. UCLA-samarbejdspartnerne har identificeret og brugt sådanne materialespecifikke peptider som kontrolmidler for at tvinge nanomaterialer til at vokse til bestemte former, såsom dem, der ønskes i katalytiske reaktioner eller halvlederanordninger. Forskerholdet gjorde opdagelsen, mens de undersøgte, hvordan et bestemt peptid - et med en stærk bindingsaffinitet for molybdændisulfid - interagerer med materialet.

"Det var fuldstændig serendipity, " sagde PNNL-materialeforsker James De Yoreo, co-korresponderende forfatter af papiret og Chens ph.d.-vejleder. "Vi forventede ikke, at peptiderne ville samle sig i deres egne meget ordnede strukturer."

Det kan være sket, fordi "dette peptid blev identificeret fra en molekylær udviklingsproces, " tilføjer medkorresponderende forfatter Yu Huang, en professor i materialevidenskab og teknik ved UCLA. "Det ser ud til, at naturen finder sin vej til at minimere energiforbruget og gøre underværker."

Omdannelsen af ​​flydende vand til fast is kræver skabelsen af ​​en fast-væske grænseflade. Ifølge Gibbs' klassiske nukleationsteori, selvom vandet bliver til is, sparer det energi, at skabe grænsefladen koster energi. Den vanskelige del er den indledende start - det er når overfladearealet af den nye ispartikel er stort sammenlignet med dens volumen, så det koster mere energi at lave en ispartikel, end der spares.

Gibbs' teori forudsiger, at hvis materialerne kan vokse i én dimension, betyder række for række, ingen sådan energistraf ville eksistere. Så kan materialerne undgå det, forskerne kalder nukleationsbarrieren og er frie til selv at samle.

Der har for nylig været kontroverser om teorien om kernedannelse. Nogle forskere har fundet beviser for, at den grundlæggende proces faktisk er mere kompleks end den, der foreslås i Gibbs' model.

Men "denne undersøgelse viser, at der bestemt er tilfælde, hvor Gibbs' teori fungerer godt, " sagde De Yoreo, som også er UW tilknyttet professor i både kemi og materialevidenskab og teknik.

Tidligere undersøgelser havde allerede vist, at nogle organiske molekyler, inklusive peptider som dem i Science papiret, kan selvmonteres på overflader. Men hos PNNL, De Yoreo og hans team gravede dybere og fandt en måde at forstå, hvordan molekylære interaktioner med materialer påvirker deres kernedannelse og vækst.

De udsatte peptidopløsningen for friske overflader af et molybdændisulfidsubstrat, måling af interaktionerne med atomkraftmikroskopi. Derefter sammenlignede de målingerne med simuleringer af molekylær dynamik.

De Yoreo og hans team fastslog, at selv i de tidligste stadier, peptiderne bundet til materialet en række ad gangen, barrierefri, ligesom Gibbs' teori forudsiger.

Atomkraftmikroskopiens høje billedhastighed gjorde det muligt for forskerne at se rækkerne, lige som de blev dannet. Resultaterne viste, at rækkerne var bestilt lige fra starten og voksede med samme hastighed uanset deres størrelse - et vigtigt bevis. De dannede også nye rækker, så snart der var nok peptid i løsningen til, at eksisterende rækker kunne vokse; det ville kun ske, hvis rækkedannelsen er barrierefri.

Denne række-for-række-proces giver ledetråde til design af 2-D-materialer. I øjeblikket, at danne bestemte former, designere har nogle gange brug for at sætte systemer langt ude af ligevægt, eller balance. Det er svært at kontrollere, sagde De Yoreo.

"Men i 1-D, vanskeligheden ved at få tingene til at danne sig i en ordnet struktur forsvinder, " De Yoreo tilføjede. "Så kan du operere lige i nærheden af ​​ligevægt og stadig dyrke disse strukturer uden at miste kontrollen over systemet."

Det kunne ændre samlingsveje for dem, der udvikler mikroelektronik eller endda kropsvæv.

Huangs team på UCLA har demonstreret nye muligheder for enheder baseret på 2-D materialer samlet gennem interaktioner i løsning. Men hun sagde, at de nuværende manuelle processer, der bruges til at konstruere sådanne materialer, har begrænsninger, herunder opskaleringsmuligheder.

"Nu med den nye forståelse, vi kan begynde at udnytte de specifikke interaktioner mellem molekyler og 2-D materialer til automatiske samlingsprocesser, " sagde Huang.

Det næste skridt, sagde De Yoreo, er at lave kunstige molekyler, der har de samme egenskaber som de peptider, der er undersøgt i det nye papir - kun mere robuste.

Hos PNNL, De Yoreo og hans team kigger på stabile peptoider, som er lige så nemme at syntetisere som peptider, men bedre kan håndtere de temperaturer og kemikalier, der bruges i processerne til at konstruere de ønskede materialer.