Udforsker udfordringerne ved at eksfoliere nye todimensionelle materialer

Lige siden forskere ved University of Manchester brugte et stykke tape til at isolere, eller "eksfoliere, "et enkelt lag kulstof, kendt som grafen, forskere har undersøgt skabelsen af ​​og anvendelsen af ​​todimensionelle materialer for at fremme teknologien på nye måder. Forskere har teoretiseret om mange forskellige slags todimensionelle materialer, men producere dem, ved at isolere et lag ad gangen fra en lagdelt tredimensionel kilde, giver ofte en udfordring.

Salvador Barraza-Lopez, lektor i fysik, og hans forskergruppe studerer 2-D materialer kaldet gruppe IV monochalcogenider, som inkluderer tinselenid, germanium sulfid, tin(II)sulfid, tintellurid og tinselenid, blandt andre.

I 3D-form, disse materialer har mange nyttige egenskaber. For eksempel, de bruges i dag i solceller. Nogle gruppe IV monochalcogenider er også ferroelektriske, når de eksfolieres ned til 2-D grænsen, hvilket betyder, at de indeholder par af positive og negative ladninger, der skaber et makroskopisk dipolmoment.

Mens nogle af disse todimensionelle materialer er blevet dyrket, ingen har med succes skrællet et stabilt todimensionelt lag af et gruppe IV monochalcogenid. I et nyligt manuskript med titlen "Water Splits to Degrade Two-Dimensional Group-IV Monochalcogenides in Nanoseconds" og offentliggjort i Journal ACS Central Science , Barraza-Lopez forklarede en mulig årsag til dette.

Barraza-Lopez sagde, at selv under de strengeste eksperimentelle forhold, omgivende vandmolekyler kan findes i nærheden af ​​disse materialer. Og ligesom disse materialer, vand bærer også en elektrisk dipol. Barraza Lopez forklarede, at interaktionen mellem dipoler kan observeres under almindelige omstændigheder:"Trukningen af ​​små stykker papir med en kam, der for nylig blev brugt på tørt hår, kan forklares som effekten af ​​et inhomogent elektrisk felt i kammen, der accelererer makroskopisk elektrisk dipoler i det stykke papir i nærheden, " han sagde.

Taneshwor Kaloni, en tidligere postdoc i Barraza-Lopez's laboratorium, udført computerberegninger, der emulerer monolag af disse materialer, der interagerer med vandmolekyler ved stuetemperatur og omgivende tryk. Holdet viste, at når vandmolekyler er tæt på disse materialer, de er tiltrukket af dem. Denne attraktion skaber en enorm opbygning af kinetisk energi, som fører til spaltning af vandmolekylerne, og destabiliserer 2D-materialerne som følge af denne kemiske reaktion. Barraza-Lopez forklarede, at han var overrasket over at høre, at denne proces skabte nok energi til at splitte vandmolekyler, fordi den nødvendige kinetiske energi overstiger 70, 000 grader Celsius.

På en måde, vanskeligheden ved at eksfoliere disse materialer kan føre til en ny teknologi til brintproduktion af todimensionelle materialer, selvom mange yderligere undersøgelser er nødvendige for at nå et sådant mål.