Lysinduceret formskift af MXener

Ultrahurtig laserspektroskopi gør det muligt at observere atomernes bevægelse på deres naturlige tidsskalaer i femtosekundersområdet, milliontedelen af ​​en milliardtedel af et sekund. Elektronmikroskopi, på den anden side, giver atomær rumlig opløsning. Ved at kombinere elektroner og fotoner i et instrument, gruppen af ​​professor Peter Baum ved universitetet i Konstanz har udviklet nogle af de hurtigste elektronmikroskoper til at opnå detaljeret indsigt i materialer og deres dynamik ved ultimative opløsninger i både rum og tid.

I deres seneste udgivelse i ACS Nano , forskere fra Baum-laboratoriet har anvendt denne teknik sammen med kolleger fra ETH Zürich til at studere nye materialer - todimensionelle molekylært definerede ark kaldet MXenes - og gjort en overraskende opdagelse. Ved hjælp af laserimpulser, MXenes kan skiftes gentagne gange mellem en flad og en kruset form, åbner op for et bredt spektrum af mulige anvendelser.

MXenes:nye todimensionelle materialer

MXener er todimensionelle plader af overgangsmetalcarbider eller nitrider i form af få-atomtykke enkeltlag. "MXener kan sammenlignes med et molekyle i en rumlig dimension og med et udvidet fast stof i de to andre, "Dr. Mikhail Volkov, første forfatter til den nylige undersøgelse, beskriver strukturen af ​​MXenes. MXener syntetiseres ved at "skrælle" de tynde lag af materiale fra et forløbermateriale - en proces kaldet eksfoliering.

I modsætning til de fleste andre enkeltlagsmaterialer, MXenes kan nemt produceres i store mængder, takket være opdagelsen af ​​en skalerbar og irreversibel kemisk eksfolieringsmetode. De kemiske og fysiske egenskaber af MXenes kan justeres bredt ved valget af overgangsmetallet, fører til udbredte anvendelser af MXenes i sansning, energilagring, let høst, og antibakteriel virkning.

Nanobølger i MXener dannet af hurtigt lys

I deres undersøgelse, primære efterforskere Dr. Mikhail Volkov fra University of Konstanz og Dr. Elena Willinger fra ETH Zürich har fundet en ny måde at forbedre egenskaberne af MXenes ved at skinne hurtige lysimpulser på dem. Ved hjælp af ultrahurtig elektronmikroskopi med atomær rumlig opløsning, de optog en film af MXenes, der interagerer med femtosekund laserpulser, viser, at laserenergien overføres til atomgitteret på en rekordtid på kun 230 femtosekunder.

uventet, forskerne fandt også ud af, at femtosekund-laserlys kan bruges til at skifte frem og tilbage mellem den oprindeligt flade overfladestruktur af MXene og en nanobølgeform af materialet - et bakke-og-dal "nano-landskab" med en periodicitet, der er mere end halvtreds gange finere end laserbølgelængden. "Vi kan styre nanobølgens orientering med laserens polarisering, hvilket betyder, at materialet har en optisk hukommelse på nanoskalaen.

I øvrigt, hvis laseren rammer igen, den nanobølgede MXene bliver tilbage til et plan og forbliver flad under belysning. Den ekstremt lille størrelse af nanobølgerne og den hurtige gitterreaktion er også ret overraskende, og et fænomen kaldet plasmon-phonon-kobling er sandsynligvis involveret, " forklarer Volkov.

Nanobølger øger materialets ydeevne

"Nano-strukturering i form af bølger øger også overflade-til-volumen-forholdet mellem materialerne, gør dem kemisk mere reaktive. Ud over, det forstærker de lokale elektromagnetiske felter, forbedring af koblingen med lys - en værdifuld egenskab til registrering af applikationer, " siger Volkov. Forskerne forventer derfor, at de opdagede nanobølgede MXener viser forbedret energilagringskapacitet og forbedret katalytisk eller antibiotisk aktivitet. "Endelig, muligheden for at skifte strukturen af ​​MXenes mellem plan og bølget 'on demand' via en laserpuls åbner spændende måder at bruge materialerne i aktiv plasmonisk, kemiske og elektriske apparater, " slutter Volkov.