Autokannibalistiske materialer lever af sig selv for at skabe nye nanostrukturer

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory inducerede et todimensionelt materiale til at kannibalisere sig selv til atomare "byggesten", hvorfra stabile strukturer dannedes.

Fundene, rapporteret i Naturkommunikation , give indsigt, der kan forbedre design af 2D-materialer til hurtigopladning af energilagring og elektroniske enheder.

"Under vores eksperimentelle forhold, titanium og kulstofatomer kan spontant danne et atomisk tyndt lag af 2-D overgangsmetalcarbid, som aldrig er observeret før, " sagde Xiahan Sang fra ORNL.

Han og ORNL's Raymond Unocic ledede et hold, der udførte in situ eksperimenter ved hjælp af state-of-the-art scanning transmission elektronmikroskopi (STEM), kombineret med teoribaserede simuleringer, at afsløre mekanismens atomistiske detaljer.

"Dette studie handler om at bestemme mekanismerne og kinetikken på atomniveau, der er ansvarlige for at danne nye strukturer af et 2-D overgangsmetalcarbid, således at nye syntesemetoder kan realiseres for denne klasse af materialer, " tilføjede Unocic.

Udgangsmaterialet var en 2-D keramik kaldet en MXene (udtales "max een"). I modsætning til de fleste keramik, MXener er gode elektriske ledere, fordi de er lavet af vekslende atomlag af kulstof eller nitrogen, der er klemt ind i overgangsmetaller som titanium.

Forskningen var et projekt af Fluid Interface Reactions, Strukturer og Transport (FIRST) Center, et DOE Energy Frontier Research Center, der udforsker væske-faste grænsefladereaktioner, der har konsekvenser for energitransport i hverdagsapplikationer. Forskere udførte eksperimenter for at syntetisere og karakterisere avancerede materialer og udførte teori- og simuleringsarbejde for at forklare observerede strukturelle og funktionelle egenskaber af materialerne. Ny viden fra FIRST-projekter giver guideposter til fremtidige undersøgelser.

Det højkvalitetsmateriale, der blev brugt i disse eksperimenter, blev syntetiseret af Drexel University-forskere, i form af femlags enkeltkrystal monolagsflager af MXene. Flagerne blev taget fra en moderkrystal kaldet "MAX, " som indeholder et overgangsmetal betegnet med "M"; et grundstof såsom aluminium eller silicium, betegnet med "A"; og enten et carbon- eller nitrogenatom, angivet med "X". Forskerne brugte en sur opløsning til at udætse de monoatomiske aluminiumslag, eksfoliere materialet og delaminere det til individuelle monolag af en titaniumcarbid MXene (Ti3C2).

ORNL-forskerne suspenderede en stor MXene-flage på en varmechip med huller boret i den, så der ikke var noget støttemateriale, eller substrat, forstyrrede flagen. Under vakuum, den suspenderede flage blev udsat for varme og bestrålet med en elektronstråle for at rense MXene-overfladen og fuldstændigt blotlægge laget af titaniumatomer.

MXener er typisk inerte, fordi deres overflader er dækket af beskyttende funktionelle grupper - ilt, brint- og fluoratomer, der forbliver efter syreeksfoliering. Efter at beskyttelsesgrupper er fjernet, det resterende materiale aktiveres. Defekter i atomare skala - "tomrum", der skabes, når titaniumatomer fjernes under ætsning - blotlægges på det ydre lag af monolaget. "Disse atomare ledige stillinger er gode initieringssteder, " sagde Sang. "Det er gunstigt for titanium og kulstofatomer at flytte fra defekte steder til overfladen." I et område med en defekt, der kan dannes en pore, når atomer migrerer.

"Når de funktionelle grupper er væk, nu står du tilbage med et bart titaniumlag (og nedenunder, vekslende kulstof, titanium, kulstof, titanium), der er fri til at rekonstruere og danne nye strukturer oven på eksisterende strukturer, " sagde Sang.

STEM-billeddannelse i høj opløsning viste, at atomer flyttede fra en del af materialet til en anden for at bygge strukturer. Fordi materialet lever af sig selv, vækstmekanismen er kannibalistisk.

"Vækstmekanismen er fuldstændig understøttet af tæthedsfunktionel teori og simuleringer af reaktiv molekylær dynamik, dermed åbner op for fremtidige muligheder for at bruge disse teoriværktøjer til at bestemme de eksperimentelle parametre, der er nødvendige for at syntetisere specifikke defektstrukturer, " sagde Adri van Duin fra Penn State.

Det meste af tiden, kun et ekstra lag [af kulstof og titanium] voksede på en overflade. Materialet ændrede sig, da atomer byggede nye lag. Ti3C2 blev til Ti4C3, for eksempel.

"Disse materialer er effektive til ionisk transport, som egner sig godt til batteri- og superkondensatorapplikationer, "Unocic sagde. "Hvordan ændres ionisk transport, når vi tilføjer flere lag til nanometertynde MXene-plader?" Dette spørgsmål kan anspore fremtidige undersøgelser.

"Fordi MXener indeholder molybdæn, niobium, vanadium, tantal, hafnium, krom og andre metaller er tilgængelige, der er muligheder for at lave en række nye strukturer indeholdende mere end tre eller fire metalatomer i tværsnit (den nuværende grænse for MXener produceret fra MAX faser), Yury Gogotsi fra Drexel University tilføjede. "Disse materialer kan vise forskellige nyttige egenskaber og skabe en række 2-D byggeklodser til at fremme teknologi."

På ORNL's Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), Yu Xie, Weiwei Sun og Paul Kent udførte første principteori-beregninger for at forklare, hvorfor disse materialer voksede lag for lag i stedet for at danne alternative strukturer, såsom firkanter. Xufan Li og Kai Xiao hjalp med at forstå vækstmekanismen, som minimerer overfladeenergi for at stabilisere atomarkonfigurationer. Penn State-forskere udførte storskala dynamiske reaktive kraftfeltsimuleringer, der viste, hvordan atomer omarrangerede på overflader, bekræftelse af defekte strukturer og deres udvikling som observeret i eksperimenter.

Forskerne håber, at den nye viden vil hjælpe andre med at dyrke avancerede materialer og generere nyttige strukturer i nanoskala.

Artiklens titel er "In situ atomistisk indsigt i vækstmekanismerne for enkeltlags 2-D overgangsmetalkarbider."