Forskere katalogiserer defekter, der giver 2-D materialer fantastiske egenskaber

Midt i vanviddet med verdensomspændende forskning i atomisk tynde materialer som grafen, der er et område, der har unddraget sig enhver systematisk analyse – selvom denne information kan være afgørende for en lang række potentielle applikationer, herunder afsaltning, DNA-sekventering, og enheder til kvantekommunikation og beregningssystemer.

Den manglende information har at gøre med den slags små defekter, eller "huller, ", der dannes i disse 2D-ark, når nogle atomer mangler i materialets krystalgitter.

Nu er det problem blevet løst af forskere ved MIT, som har lavet et katalog over de nøjagtige størrelser og former for huller, der højst sandsynligt ville blive observeret (i modsætning til de mange flere, der er teoretisk mulige), når et givet antal atomer fjernes fra atomgitteret. Resultaterne er beskrevet i journalen Naturmaterialer i et papir af kandidatstuderende Ananth Govind Rajan, professorer i kemiteknik Daniel Blankschtein og Michael Strano, og fire andre på MIT, Lockheed Martin Space, og Oxford University.

"Det har været et langvarigt problem inden for grafenområdet, det vi kalder isomerkatalogiseringsproblemet for nanoporer, " siger Strano. For dem, der ønsker at bruge grafen eller lignende todimensionel, arklignende materialer til anvendelser, herunder kemisk adskillelse eller filtrering, han siger, "Vi skal bare forstå den slags atomare defekter, der kan opstå, " sammenlignet med det langt større antal, der aldrig er set.

For eksempel, Blankschtein påpeger, ved at fjerne kun otte sammenhængende carbonatomer fra den sekskantede hønsetrådslignende række af atomer i grafen, der er 66 forskellige mulige former, som det resulterende hul kunne have. Når antallet af fjernede atomer stiger til 12, antallet af mulige former springer til 3, 226, og med 30 atomer fjernet, der er 400 milliarder muligheder – et tal langt ud over enhver rimelig mulighed for simulering og analyse. Men kun en håndfuld af disse former findes faktisk i eksperimenter, så evnen til at forudsige, hvilke der virkelig opstår, kunne være til stor nytte for forskere.

Beskriver manglen på information om, hvilke slags huller der rent faktisk kan dannes, Strano siger, "Hvad det gjorde, praktisk talt, er det lavet en afbrydelse mellem, hvad du kunne simulere med en computer, og hvad du rent faktisk kunne måle i laboratoriet." Dette nye katalog over de former, der faktisk er mulige, vil gøre søgningen efter materialer til specifikke anvendelser meget mere overskuelig, han siger.

Evnen til at lave analysen var afhængig af en række værktøjer, der simpelthen ikke var tilgængelige tidligere. "Du kunne ikke have løst dette problem for 10 år siden, " siger Strano. Men nu, med brug af værktøjer, herunder kemisk grafteori, nøjagtige elektroniske strukturberegninger, og højopløsnings scanningstransmissionselektronmikroskopi, forskerne har taget billeder af defekterne, der viser de enkelte atomers nøjagtige positioner.

Holdet kalder disse huller i gitteret "antimolekyler" og beskriver dem i form af den form, der ville blive dannet af de atomer, der er blevet fjernet. Denne tilgang giver, for første gang, en enkel og sammenhængende ramme til at beskrive hele sættet af disse komplekse former. Tidligere, "hvis du talte om disse porer i materialet, der var ingen måde at identificere" den specifikke type hul involveret, siger Govind Rajan. "Når folk begynder at skabe disse porer oftere, det ville være godt at have en navnekonvention" for at identificere dem, tilføjer han.

Dette nye katalog kan hjælpe med at åbne op for en række potentielle applikationer. "Defekter er både gode og dårlige, " Strano forklarer. "Nogle gange vil du forhindre dem, "fordi de svækker materialet, men "andre gange vil du skabe dem og kontrollere deres størrelser og former, "for eksempel til filtrering, kemisk forarbejdning, eller DNA-sekventering, hvor kun visse specifikke molekyler kan passere gennem disse huller. En anden applikation kan være kvantecomputere eller kommunikationsenheder, hvor huller af en bestemt størrelse og form er indstillet til at udsende fotoner af lys med specifikke farver og energiniveauer.

Ud over deres indvirkning på et materiales mekaniske egenskaber, huller påvirker elektronisk, magnetiske, og også optiske egenskaber, siger Govind Rajan.

"Vi tror, ​​at dette arbejde vil udgøre et værdifuldt værktøj" til forskning i defekter i 2-D materialer, Strano forudsiger, fordi det vil give forskere mulighed for at finde ud af lovende typer af defekter i stedet for at skulle sortere gennem utallige teoretisk mulige former "som du overhovedet er ligeglad med, fordi de er så usandsynlige, at de aldrig vil dannes."