Nyligt observeret monovalent calciumion viser uventet metallicitet og ferromagnetisme

Calciumioner findes i sten, knogler, skaller, biomineraler, geologiske aflejringer, hav sedimenter, og mange andre vigtige materialer. Calciumioner spiller også en vigtig rolle i tilbageholdelsen af ​​kuldioxid i naturlige farvande, vandets hårdhed, signaltransduktion og vævsgenerering. Som et af de jordalkalimetaller, calciumatomet har to valenselektroner ifølge oktetreglen. Indtil nu, den eneste kendte valenstilstand for calciumioner under omgivelsesbetingelser er +2, og de tilsvarende krystaller med calciumioner er isolerende.

Ved hjælp af kryo-elektronmikroskopi, forskere rapporterede direkte observation af todimensionale (2-D) CaCl-krystaller på reducerede grafenoxid (rGO) -membraner under omgivelsesbetingelser, som kun udviser monovalente (dvs. +1) calciumioner. Bemærkelsesværdigt, metalliske frem for isolerende egenskaber vises af disse 2-D CaCl-krystaller, og mere interessant, ferromagnetisme ved stuetemperatur, resulterede grafen-CaCl heterojunction, sameksistens mellem piezoelektricitet og metallicitet, sammen med den tydelige hydrogenlagring og frigivelsesevne under omgivelsesbetingelser demonstreres eksperimentelt.

Det skal bemærkes, at konventionelt set metalliske materialer viser generelt ikke en piezoelektricitet. Sådan uventet piezoelektricitetslignende adfærd af de metalliske CaCl-krystaller fremkaldes af den unormale 2-D CaCl-struktur, at strukturen er metallisk på grund af Ca-ionernes monovalente opførsel på den ene side, og på den anden side har strukturen to elementer (Ca og Cl) med forskellige elektriske effekter under tryk- eller trækbelastning. Derfor, 2-D CaCl-krystallerne er et nyt materiale, der har både metallisk karakter og piezoelektrisk egenskab, og vil have nye applikationer som transistorer ned til atomskalaen og i nanotransistor -enheder.

Så vidt vi ved, ferromagnetisme ved stuetemperatur er aldrig blevet observeret for et hovedgruppe metalelement. Teoretisk undersøgelse afslører, at den mulige oprindelse af sådan ferromagnetisme ved stuetemperatur er kanten eller defekte virkninger af CaCl-krystallerne, hvor der er en uparret valenselektron i Ca+, så forventes det, at hvert metalelement har ferromagnetisme ved stuetemperatur ved at danne de tilsvarende unormale 2-D-krystaller.

Teoretiske undersøgelser viser, at dannelsen af ​​en sådan unormal krystal tilskrives Ca-kationernes stærke kation-π-interaktioner med de aromatiske ringe i grafenoverfladerne. Da der også findes stærke kation-π-interaktioner mellem andre metalkationer (såsom Mg ²⁺ , Fe ²⁺ , Co ²⁺ , Cu ²⁺ , Cd ²⁺ , Kr ²⁺ og Pb ²⁺ ) og grafitiske overflader, lignende krystaller med unormal valens af andre metalkationer forventes.

Disse fund viser ikke kun et gennembrud i 2-D krystaller med unormalt kation-anionforhold, ny valens af kationer, og uventet ledningsevne, men også levere skelsættende værker i materiale, biologisk, kemiske og fysiske anvendelser. Egenskaber og adfærd for 2-D krystaller bryder med generel viden om dette vidt distribuerede element i dagligdagen, og de vil helt sikkert tiltrække opmærksomhed og hurtig eftertanke om dens spændende applikationer på forskellige områder.

Disse egenskaber og adfærd for 2-D-krystallerne vil også i høj grad udvide applikationerne for det funktionaliserede grafen. Yderligere, i betragtning af den brede distribution af metalliske kationer og kulstof på jorden, sådanne 'specielle' forbindelser i nanoskala med tidligere ukendte egenskaber kan være allestedsnærværende i naturen.