Forskere bruger nanomaterialer til at lave 2-D diamantklynger ved stuetemperatur

Atomisk tynd, 2-D hexagonal bornitrid (h-BN) er et lovende materiale, hvis proteaner evne til at gennemgå fasetransformationer til stærke, super let, kemisk stabil, oxidationsbestandige film gør dem ideelle til beskyttende belægninger, nanoteknologi termiske applikationer, dyb-UV-lysemittere, og meget mere.

Mulighederne i forskellige polytyper af h-BN omfatter den ultrahårde diamantfase, en kubisk struktur (c-BN) med styrke og hårdhed, der kun er næst efter faktiske kulstofdiamanter. Nøglen til fremstilling af sådanne materialer er evnen til at inducere og kontrollere transformationen mellem deres forskellige krystallinske faser, på en måde, der er effektiv og omkostningseffektiv nok til at tillade stordriftsfordele.

Mens syntetisering af sådanne materialer i deres 'bulk' eller 3-D-konfigurationer kræver enormt tryk og varme, forskere ved NYU Tandon School of Engineering har opdaget, at h-BN er lagdelt, molekyle-tynde 2-D ark kan faseovergang til c-BN ved stuetemperatur.

I en ny undersøgelse, et hold ledet af Elisa Riedo, Professor i kemi og biomolekylær teknik ved NYU Tandon, og i samarbejde med Remi Dingreville ved Center for Nanotechnologies ved Sandia National Laboratories, produceret eksperimenter og simuleringer ved hjælp af en nanoskopisk spids, der komprimerer atomisk tynd, 2-D h-BN-lag for at afsløre, hvordan disse stuetemperatur-faseovergange opstår, og hvordan man optimerer dem, dels ved at variere antallet af lag i h-BN tyndfilmen.

Forskningen, "Trykinduceret dannelse og mekaniske egenskaber af 2-D diamantbornitrid, "hvis forfattere inkluderer Angelo Bongiorno, professor i kemi ved City University of New York; Filippo Cellini, tidligere post doc i Riedos PicoForce Lab på NYU Tandon; Elton Chen fra Sandia National Labs; Ryan L. Hartman, en lektor i kemisk og biomolekylær teknik ved NYU Tandon; og Francesco Lavini og Filip Popovic, Ph.D. studerende i Riedos laboratorium, vises som forsidehistorien i bind 8, Nummer 2 af tidsskriftet Avanceret Videnskab .

"Når BN er i diamantfasen, hårdhed og stivhed øges dramatisk, og er, faktisk, næsten lige så hård som en traditionel kulstofdiamant med en forbedret termisk og kemisk stabilitet, " sagde Riedo, "Men det kan normalt ikke findes i naturen. Dannelse af kubisk bornitrid skal udføres i et laboratorium. Så vi satte os for at udforske fysikken og forståelsen af ​​faseovergang fra hexagonal til kubisk bornitrid i det særlige tilfælde af film, der er atomisk. tynd."

Lavini forklarede, at arbejdet involverede påføring af tryk på atomisk tynde h-BN-film med et antal atomlag fra et til ti, ved hjælp af et atomkraftmikroskop (AFM). For at teste omfanget af faseovergangen fra hexagonal til kubisk krystallinsk struktur, AFM nanoskopiske spidssonde påfører samtidig tryk og måler materialets elasticitet.

"En høj grad af stivhed demonstrerer faseovergangen til diamantkrystalstrukturen. Dette er kritisk, fordi det ikke var klart, før den faseovergang endda kunne forekomme ved stuetemperatur, " forklarede han. "Fordi hele fysikken i faseovergange er anderledes i et 2-D 'univers', opdager og redefinerer vi nogle grundlæggende materialeregler. I denne tilstand, for eksempel, energibarrieren for at transformere fra sekskantet til kubisk fase er meget mindre."

Eksperimenterne og simuleringerne afslørede også den optimale tykkelse for at opnå overgangen til c-BN:forskerne observerede ingen fasetransformation overhovedet i monolag h-BN-film, mens tolags- og trelagsfilm viste 50 % stigning i stivhed, når tryk blev påført af den nanoskopiske spids, en proxy for h-BN-til-c-BN faseovergangen. Over tre lag, forskerne observerede en aftagende grad af diamantfaseovergang.

Gennem simuleringer - beskrevet i undersøgelsen - opdagede samarbejdspartnerne også heterogenitet i faseovergangen:i stedet for spontan ændring til c-BN, der forekommer jævnt under pres, de fandt ud af, at diamanter blev dannet i klynger, og udvidet. De observerede også, at jo større antallet af lag af h-BN, jo mindre er antallet af diamantklynger.

Riedo forklarede, at fordelene ved 2-D BN-diamanter i forhold til 2-D-carbondiamanter (også kendt som diamene) er tilpasningsevne og potentielle fremstillingsfordele. "For nylig opdagede vi, at det er muligt at inducere diamenedannelse fra grafen, imidlertid, specifikke typer substrater eller kemikalier er påkrævet, mens h-BN kan danne diamanter på ethvert underlag i omgivende atmosfære. Generelt, Det er virkelig spændende at opdage ekstraordinære nye egenskaber i trykinducerede diamantfaser i 2D-materialer," sagde hun.

Riedo sagde, at næste fase vil dreje sig om anvendt forskning, med flere store eksperimenter med mekanisk modstand til specifikke applikationer.