Brug kaos som et redskab, forskere opdager ny metode til fremstilling af 3D-heterostrukturerede materialer

Forskere ved U.S. Department of Energy's Ames Laboratory og deres samarbejdspartnere fra Iowa State University har udviklet en ny tilgang til at generere lagdelt, svært at kombinere, heterostrukturerede faste stoffer. Heterostrukturerede materialer, sammensat af lag af forskellige byggesten viser unik elektronisk transport og magnetiske egenskaber, der styres af kvanteinteraktioner mellem deres strukturelt forskellige byggesten, og åbne nye veje til elektroniske og energimæssige applikationer.

Teknikken til at lave dem er enkel, og kontraintuitivt - det indebærer at smadre de uberørte materialer for at bygge nye. Kaldes mekanokemi, teknikken bruger kuglefræsning til at adskille strukturelt inkommensurerede faste stoffer-dem, der ikke har matchende atomarrangementer-og samle dem til unikke tredimensionelle (3-D) "uhensigtsmæssige" hetero-samlinger. At smadre tingene sammen ved at fræse virker som den mindst sandsynlige måde at opnå atomorden på, men det viste sig at være mere vellykket, end forskerne selv forestillede sig.

"En af mine kollegaer bemærkede, at vores ideer enten ville være naive eller geniale, sagde Viktor Balema, Ames Laboratory Seniorforsker. "For noget tid siden opdagede vi stokastisk omrokering af lagdelt metal-dichalcogenider (TMDC'er) til 3-D hetero-forsamlinger under mekanisk fræsning. Det kom som en fuldstændig overraskelse for os og udløste vores nysgerrighed om muligheden for atomordre gennem mekanokemisk bearbejdning."

Metalchalcogenider er ofte unikke i deres egenskaber og anvendelser. De kan vise bemærkelsesværdig elektrontransportadfærd lige fra fuldstændig mangel på elektrisk ledningsevne til superledning, foto- og termoelektriske egenskaber, mekanisk smidighed og, især, evnen til at danne stabile todimensionale monolag, tredimensionelle heterostrukturer, og andre nanoskalerede kvantematerialer.

"Nanostrukturer af uegnet lagdelte forbindelser (MLC) i form af nanorør, nanofilmer (ferecrystals) og eksfolierede ark er blevet undersøgt i over et årti og tilbyder et rigt forskningsfelt og muligvis også spændende anvendelser inden for vedvarende energi, katalyse og optoelektronik, "sagde Reshef Tenne fra Weizmann Institute of Science, Israel, og en ekspert i nanostruktursyntese. "En hindring for deres store anvendelse er de høje temperaturer og lange vækstprocesser, som er uoverkommelige for store applikationer. Den mekanokemiske proces udviklet af Balema -gruppen på Ames Lab, udover at være videnskabeligt stimulerende, bringer os et skridt tættere på at realisere jordnære applikationer til disse spændende materialer. "

Typisk, disse komplekse materialer, især dem med de mest usædvanlige strukturer og egenskaber, fremstilles ved hjælp af to forskellige syntetiske fremgangsmåder. Den første, kendt som top-down syntese, anvender todimensionale (2-D) byggesten til at samle dem, ved hjælp af additive fremstillingsteknikker. Den anden tilgang, bredt defineret som bottom-up syntese, bruger trinvise kemiske reaktioner, der involverer rene grundstoffer eller små molekyler, der lægger individuelle enkeltlag oven på hinanden. Begge er omhyggelige og har andre ulemper, såsom dårlig skalerbarhed til brug i virkelige applikationer.

Ames Laboratory -teamet kombinerede disse to metoder til en mekanokemisk proces, der samtidigt eksfolierer, går i opløsning og rekombinerer udgangsmaterialer til nye heterostrukturer, selvom deres krystalstrukturer ikke passer godt til hinanden (dvs. ikke passer). Teoretiske (DFT) beregninger, understøttet af resultaterne af røntgendiffraktion, scanning transmissionselektronmikroskopi, Raman -spektroskopi, elektrontransportundersøgelser og, for første gang nogensinde, nuklear magnetisk resonans (NMR) forsøg i fast tilstand, forklarede mekanismen for reorganisering af forstadiematerialer og drivkræfterne bag dannelsen af ​​nye 3-D heterostrukturer under mekanisk behandling.

"NMR-spektroskopi i fast tilstand er en ideel teknik til karakterisering af pulverformige materialer, der er opnået fra mekanokemi, "sagde Aaron Rossini, Ames laboratorieforsker og professor i kemi ved Iowa State University. "Ved at kombinere oplysninger opnået fra faststof-NMR-spektroskopi med andre karakteriseringsteknikker er vi i stand til at få et komplet billede af 3D-heterostrukturer."

Forskningen diskuteres yderligere i papiret, "Enestående generation af 3-D-heterostrukturer ved mekanokemisk adskillelse og ombestilling af ikke-rimelige metalchalcogenider, "skrevet af Oleksandr Dolotko, Ihor Z. Hlova, Arjun K. Pathak, Yaroslav Mudryk, Vitalij K. Pecharsky, Prashant Singh, Duane D. Johnson, Brett W. Boote, Jingzhe Li, Emily A. Smith, Scott L. Carnahan, Aaron J. Rossini, Lin Zhou, Ely M. Eastman, og Viktor P. Balema; og udgivet i Naturkommunikation .