Hematene slutter sig til paraden af ​​nye 2D-materialer - Team udvinder 3-atom-tykke plader fra almindelig jernoxid

I kølvandet på dens nylige opdagelse af en flad form for gallium, et internationalt hold ledet af forskere fra Rice University har skabt endnu et todimensionelt materiale, som forskerne sagde kunne være en game changer for solbrændstofgenerering.Rismaterialeforsker Pulickel Ajayan og kolleger udvindede 3-atom-tyk hæmaten fra almindelig jernmalm. Forskningen blev introduceret i et papir i dag i Natur nanoteknologi .

Hematen kan være en effektiv fotokatalysator, især til at spalte vand til brint og ilt, og kunne også tjene som et ultratyndt magnetisk materiale til spintronic-baserede enheder, sagde forskerne.

"2D-magnetisme er ved at blive et meget spændende felt med de seneste fremskridt inden for syntetisering af sådanne materialer, men synteseteknikkerne er komplekse, og materialernes stabilitet er begrænset, " sagde Ajayan. "Her, vi har en enkel, skalerbar metode, og hæmatenstrukturen skal være miljømæssigt stabil."

Ajayans laboratorium arbejdede med forskere ved University of Houston og i Indien, Brasilien, Tyskland og andre steder for at eksfoliere materialet fra naturligt forekommende hæmatit ved hjælp af en kombination af sonikering, centrifugering og vakuumassisteret filtrering.

Hæmatit var allerede kendt for at have fotokatalytiske egenskaber, men de er ikke gode nok til at være nyttige, sagde forskerne.

"For at et materiale skal være en effektiv fotokatalysator, det skal absorbere den synlige del af sollys, generere elektriske ladninger og transportere dem til overfladen af ​​materialet for at udføre den ønskede reaktion, " sagde Oomman Varghese, en medforfatter og lektor i fysik ved University of Houston.

"Hæmatit absorberer sollys fra ultraviolet til det gul-orange område, men de frembragte ladninger er meget kortvarige. Som resultat, de uddør, før de når overfladen, " han sagde.

Hæmaten fotokatalyse er mere effektiv, fordi fotoner genererer negative og positive ladninger inden for nogle få atomer af overfladen, sagde forskerne. Ved at parre det nye materiale med titaniumdioxid nanorør-arrays, som giver en let vej for elektroner til at forlade hæmaten, forskerne fandt ud af, at de kunne tillade mere synligt lys at blive absorberet.

Forskerne opdagede også, at hæmatens magnetiske egenskaber adskiller sig fra hæmatits egenskaber. Mens naturlig hæmatit er antiferromagnetisk, test viste, at hæmaten er ferromagnetisk, som en almindelig magnet. I ferromagneter, atomernes magnetiske momenter peger i samme retning. I antiferromagneter, momenterne i tilstødende atomer veksler.

I modsætning til kulstof og dets 2D-form, grafen, hæmatit er et ikke-van der Waals materiale, hvilket betyder, at det holdes sammen af ​​3D-bindingsnetværk snarere end ikke-kemiske og forholdsvis svagere atomare van der Waals-interaktioner.

"De fleste 2D-materialer til dato er blevet afledt af bulk-modstykker, der er lagdelte i naturen og generelt kendt som van der Waals-faststoffer, " sagde medforfatter professor Anantharaman Malie Madom Ramaswamy Iyer fra Cochin University of Science and Technology, Indien. "2D-materialer fra bulk-prækursorer med (ikke-van der Waals) 3D-bindingsnetværk er sjældne, og i denne sammenhæng antager hæmaten stor betydning."

Ifølge medforfatter Chandra Sekhar Tiwary, en tidligere postdoc-forsker ved Rice og nu adjunkt ved Indian Institute of Technology, Gandhinagar, samarbejdspartnerne udforsker andre ikke-van der Waals materialer for deres 2D potentiale.