Forskere opnår lav-energi syntese af bulk van der Waals materialer

Forskere har syntetiseret bulk van der Waals (vdW) materialer ved næsten stuetemperatur (fra stuetemperatur til 60°C), hvilket signifikant reducerer det energiforbrug, der kræves til deres fremstilling, med mindst én størrelsesorden.

Bulk vdW materialer er et vigtigt fokus for forskning, fordi de holdes sammen af ​​svage vdW kræfter i stedet for stærke kovalente eller metalliske bindinger. Undersøgelsen er publiceret i Nature Materials .

Tidligere kunne bulk vdW-materialer, såsom grafit og sekskantet bornitrid, kun syntetiseres ved meget høje temperaturer (>1.000°C). I denne undersøgelse blev partiklerne eksfolieret til todimensionelle (2D) nanoark med meget lavt energiforbrug i stedet for direkte at sintre grafit- eller bornitridpartikler ved så høje temperaturer. Efterfølgende blev en støbeproces ved 45°C (eller endda ved stuetemperatur) anvendt til at omdanne disse nanoark til mekanisk robuste bulk vdW-materialer.

Metoden gælder for en lang række 2D materialer, herunder MXene og overgangsmetal dichalcogenider. Dens lave fremstillingstemperatur giver også mulighed for overfladeprægning og in-situ formning, som er udfordrende med højtemperatursintring på grund af termisk induceret krympning og ekspansion. Derudover letter de additivfrie vdW-materialer højtemperaturapplikationer, hvor 2D-materialebaserede polymere kompositter fejler.

Dette resultat stammer hovedsageligt fra vdW-interaktionen, der giver de fremstillede bulkmaterialer høj mekanisk styrke. Aktivering af vdW-interaktionen kræver ikke høje temperaturer, men snarere nanometer eller sub-nanometer kontakt mellem tilstødende nanoark. Tyndheden og fleksibiliteten af ​​2D nanoarkene gør dem lette at flytte og deformere, hvilket letter intim kontaktdannelse.

Derudover fandt forskerne ud af, at vand adsorberet på nanopladerne er et kraftfuldt "sintringshjælpemiddel", der smører nanopladerne for at give en god justering. Det indesluttede vand desorberes derefter fra nanopladerne og undslipper materialet på grund af nano-indeslutningseffekten, som lukker kapillæren og dermed aktiverer vdW-interaktionen og resulterer i et fortættet, stærkt bulk-vdW-materiale.

"Denne proces forenkler fremstillingen og reducerer det høje energiforbrug forbundet med produktion af bulk vdW-materialer, hvilket tilbyder skalerbarhed, og den kunne også introducere innovative tilgange til vdW-materialedesign, såsom hybridisering af forskellige 2D-materialer, især dem, der er ustabile ved høje behandlingstemperaturer," sagde Prof. Su Yang, en forsker ved Shenzhen International Graduate School ved Tsinghua University (SIAT) og tilsvarende forfatter til artiklen.

"Denne undersøgelse antyder revolutionen til traditionelle materialebehandlingsmetoder gennem nanomaterialeudnyttelse," sagde prof. Cheng Huiming fra SIAT.

Holdet omfatter forskere fra SIAT fra det kinesiske videnskabsakademi (CAS), Shenzhen International Graduate School ved Tsinghua University, Institute of Metal Research i CAS og University of Science and Technology i Kina i CAS.

Flere oplysninger: Jiuyi Zhu et al., Nær-rumtemperatur vand-medieret fortætning af bulk van der Waals materialer fra deres nanoark, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01840-0

Leveret af Chinese Academy of Sciences