Simuleringer viser, hvordan man forvandler grafen-defekter til aktiver

Forskere ved Penn State, Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory og Lockheed Martin Space Systems Company har udviklet metoder til at kontrollere fejl i todimensionelle materialer, såsom grafen, som kan føre til forbedrede membraner til afsaltning af vand, energilagring, sensing eller avancerede beskyttende belægninger.

For en todimensionel, et atom-tykt materiale som grafen, defekter såsom små revner eller huller kan gøre en stor forskel i ydeevnen. Som regel, disse mangler anses for uønskede. Men hvis defekterne kan kontrolleres, de kan bruges til at konstruere nye, ønskelige egenskaber i materialet.

"Så længe du kan kontrollere defekter, du kan muligvis syntetisere, uanset hvilken respons grafenen vil give dig, siger Adri van Duin, tilsvarende forfatter på et nyligt papir i American Chemical Societys tidsskrift ACS Nano . "Men det kræver, at man har meget god kontrol over defektstruktur og defektadfærd. Det, vi har gjort her, er et ret stærkt skridt i retning af det."

van Duin er medopfinder og hovedudvikler af en matematisk modellerings- og simuleringsteknik kaldet ReaxFF, som er i stand til at forudsige interaktioner mellem tusinder af atomer, når de forstyrres af en ekstern kraft, i dette tilfælde bombardementet af grafen med atomer af en ædelgas.

Ædelgasserne, som omfatter helium, neon, argon, krypton og xenon, bruges ofte til at skabe defekter i grafen med det formål at forbedre dets egenskaber. Ved at slå et eller flere carbonatomer ud af grafens sammenkædede sekskanter, en struktur, der minder om kyllingetråd, det resulterende hul kan fyldes med atomer af et andet materiale eller molekyle i en proces kaldet doping. Doping kan ændre grafenens kemiske eller elektriske egenskaber, til, for eksempel, tillade vandmolekyler at strømme igennem, mens de afviser saltpartikler.

"Vi har lavet en række simuleringer i atomistisk skala, hvor vi accelererer ædelgasioner ind i grafenet. Simuleringerne gav stort set de samme fejlmønstre som eksperimenter, " siger van Duin. "Det betyder, at vores simuleringer kan fortælle eksperimentel, hvilken dosis atomer, ved hvilken acceleration de har brug for for at få disse typer defekter."

Fordi defekter kan forvandle sig til forskellige former eller bevæge sig rundt i sekunderne efter oprettelsen, hans gruppe simulerer også at sætte grafen i en ovn og opvarme ved høj temperatur, kaldet udglødning, at stabilisere strukturen.

Det er usædvanligt, at en atomistisk simulering svarer til samme størrelse, tid og eksponeringsområde som et eksperiment, på grund af de beregningsmæssige omkostninger ved at udføre interaktioner mellem tusindvis af atomer over den tidsskala, der kræves for at stabilisere et materiale, siger van Duin. Den reaktive kraftfeltmetode (ReaxFF), udviklet af van Duin og CalTechs William A. Goddard, er i stand til at modellere kemiske og fysiske interaktioner i molekyler og materialer, når bindinger mellem atomer dannes og brydes.

Kichul Yoon, avisens hovedforfatter og en kandidatstuderende i van Duins gruppe, siger, "Denne undersøgelse giver indsigt i de atomistiske skaladetaljer af grafenbestråling og er et foreløbigt trin i at designe funktionaliserede kulstofmaterialer i to dimensioner."

van Duin tilføjer, "Det er klart, at der ikke er noget, der gør dette eksklusivt for grafen. Ethvert 2D-materiale kan behandles med de samme simuleringer. Enhver, der ønsker at dope et 2D-materiale eller forstå defekter, vil være interesseret i disse simuleringer."

Forskerne har til hensigt at fortsætte arbejdet med Lockheed Martin om rumfartsapplikationer og vil også forfølge målet om grafenbaseret vandafsaltning. Jacob Swett fra Lockheed Martin forberedte prøverne, der blev brugt i eksperimenter og var afgørende for at komme videre med projektet.

For at korrelere simuleringer med eksperimenter, forskerne stolede på Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), en DOE Office of Science brugerfacilitet på ORNL, at skabe defekter ved hjælp af ionbombardement og efterfølgende karakterisere disse defekter ved hjælp af atomopløsningsbilleddannelse. "Hos CNMS, vi har state-of-the-art helium- og neonionstråle- og aberrationskorrigerede scanningstransmissionselektronmikroskopiinstrumenter, der tillader karakterisering af atomistisk skala, " siger Raymond Unocic, en R&D-medarbejder ved Oak Ridge National Laboratory.