At leve på kanten:Hvordan et 2-D-materiale fik sin form

Lige siden opdagelsen i 2004, grafen – et atomisk tyndt materiale med fantastisk styrke og elektriske egenskaber – har inspireret videnskabsmænd over hele verden til at designe nye 2-D materialer til at tjene en bred vifte af applikationer, fra vedvarende energi og katalysatorer til mikroelektronik.

Mens 2-D strukturer dannes naturligt i materialer som grafen, nogle videnskabsmænd har forsøgt at lave 2D-materialer fra halvledere kaldet overgangsmetaloxider:forbindelser sammensat af oxygenatomer bundet til et overgangsmetal såsom kobolt. Men mens forskere længe har vidst, hvordan man laver nanopartikler af overgangsmetaloxider, ingen har fundet en kontrollerbar måde at dyrke disse 3-D nanopartikler til nanoark, som er tynde 2D-materialer, der kun er få atomer tykke.

Nu, et team af forskere ledet af Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har fået værdifuld indsigt i 3-D overgangsmetaloxid-nanopartiklers naturlige "kant" for 2-D vækst. Deres resultater blev rapporteret i Naturmaterialer .

Ved at bruge et væskefase-transmissionselektronmikroskop (TEM) på Berkeley Labs Molecular Foundry til eksperimenterne, co-korresponderende forfatter Haimei Zheng og hendes team observerede direkte den dynamiske vækst af cobalt-oxid nanopartikler i en opløsning, og deres efterfølgende transformation til et fladt 2-D nanoark.

"Sådan en 3-D til 2-D transformation minder meget om hviden af ​​et æg, der spredes, når det steger i en pande, " sagde Zheng, en senior videnskabsmand i Berkeley Labs Materials Sciences Division, der ledede undersøgelsen.

I tidligere undersøgelser, forskere havde antaget, at kun to hovedfaktorer - bulkenergi fra volumenet af nanopartiklerne, og nanopartiklernes overfladeenergi - ville drive nanopartiklernes vækst til en 3D-form, Zheng forklarede.

Ny energi kommer frem i lyset

Men beregninger ledet af den medkorresponderende forfatter Lin-Wang Wang afslørede en anden energi, som tidligere var blevet overset - kantenergi. I en facetteret, rektangulær nanopartikel såsom en overgangsmetaloxidnanopartikel, kanten af ​​en facet bidrager også med energi - i dette tilfælde, positiv energi - mod nanopartiklernes vækst og form. Men for at en overgangsmetaloxidnanopartikel skal vokse til et 2D nanoark, overfladeenergien skal være negativ.

"Og det er balancen mellem disse to energier, en negativ og en positiv, som bestemmer formændringen, " sagde Wang. For mindre nanopartikler, positiv kant energi vinder, hvilket fører til en kompakt 3-D form. Men når koboltoxidnanopartiklerne vokser sig større, de når i sidste ende et kritisk punkt, hvor negativ overfladeenergi vinder, resulterer i et 2-D nanoark, forklarede han. Wang, en senior videnskabsmand i Berkeley Labs Materials Sciences Division, udførte beregningerne til undersøgelsen af ​​supercomputere ved Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).

Afdækning af disse vækstveje, inklusive 3-D-til-2-D-overgangen, Zheng tilføjede, giver nye muligheder for strømlinet design af eksotiske nye materialer fra forbindelser, hvis uregelmæssige atomstrukturer, såsom overgangsmetaloxider, er mere udfordrende end grafen at syntetisere til flerlags 2-D enheder.

Zheng og hendes team konkluderede, at undersøgelsen ikke kunne have været mulig med et konventionelt elektronmikroskop. Ved at bruge væskefase TEM på Molecular Foundry, forskerne var i stand til at studere væksten af ​​atomisk tynde materialer i opløsning ved at indkapsle væskeprøven i en specialdesignet væskecelle. Cellen forhindrede prøven i at kollapse i elektronmikroskopets højvakuum.

"Det ville være umuligt at kende en sådan vækststi uden denne in situ observation, " sagde førsteforfatter Juan Yang, som var gæstedoktorandforsker ved Berkeley Lab fra Dalian University of Technology i Kina på tidspunktet for undersøgelsen. "Denne opdagelse kan transformere vores fremtidige design af materialer med overfladeforbedrede egenskaber til katalyse og sansning af fremtidens anvendelser."

Næste skridt

Forskerne planlægger derefter at fokusere på at bruge flydende celle TEM til at dyrke mere komplekse 2-D materialer såsom heterostrukturer, som er som sandwich af lagdelte materialer med forskellige egenskaber.

"Som en arkitekt, der er inspireret af den måde, hvorpå en gammel kæmpe redwood er vokset, materialeforskere er inspireret til at designe stadig mere komplekse strukturer til energilagring, " sagde Zheng, som var banebrydende for flydende celle-TEM på Berkeley Lab i 2009. "Men hvorfor vokser de på den måde? Vores styrke i Berkeley Lab er, at vi kan studere dem på atomniveau og se dem vokse i realtid og finde ud af de mekanismer, der ville bidrage til design af bedre materialer."