Materiały autokannibalistyczne odżywiają się w celu stworzenia nowych nanostruktur

Anonim

Naukowcy z Narodowego Laboratorium Oak Ridge w Departamencie Energii zainspirowali dwuwymiarowy materiał do kanibalizowania się dla atomowych "cegiełek", z których powstały stabilne struktury.

Odkrycia, opisane w Nature Communications, dostarczają informacji, które mogą poprawić projektowanie materiałów 2D dla szybkich ładowań energii i urządzeń elektronicznych.

"W naszych warunkach eksperymentalnych atomy tytanu i węgla mogą spontanicznie tworzyć atomowo cienką warstwę węglika metalu przejściowego 2-D, czego nigdy wcześniej nie zaobserwowano" - powiedział Xiahan Sang z ORNL.

On i Raymond Unocic z ORNL przewodzili zespołowi, który przeprowadzał eksperymenty in situ przy użyciu najnowocześniejszej skaningowej mikroskopii elektronowej (STEM), w połączeniu z symulacjami opartymi na teorii, w celu ujawnienia szczegółów atomowych mechanizmu.

"Badanie to dotyczy określenia mechanizmów i kinetyki na poziomie atomowym, które są odpowiedzialne za tworzenie nowych struktur węglika metalu przejściowego 2D, tak aby można było opracować nowe metody syntezy dla tej klasy materiałów" - dodał Unocic.

Materiałem wyjściowym była ceramiczna 2-D o nazwie MXene (wymawiane "max een"). W przeciwieństwie do większości ceramiki, MXeny są dobrymi przewodami elektrycznymi, ponieważ są wykonane z naprzemiennych warstw atomowych węgla lub azotu umieszczonych w metalach przejściowych, takich jak tytan.

Badaniem był projekt Centrum Reakcji, Struktur i Transportu Fluid Interface (FIRST), centrum badań nad granicą energetyczną DOE, które bada płynne reakcje interfejsów, które mają wpływ na transport energii w codziennych zastosowaniach. Naukowcy przeprowadzili eksperymenty, aby zsyntetyzować i scharakteryzować zaawansowane materiały oraz przeprowadzić prace teoretyczne i symulacyjne w celu wyjaśnienia zaobserwowanych właściwości strukturalnych i funkcjonalnych materiałów. Nowa wiedza z projektów FIRST stanowi drogowskazy dla przyszłych badań.

Materiał wysokiej jakości wykorzystany w tych eksperymentach został zsyntetyzowany przez naukowców z Uniwersytetu Drexel w postaci pięciowarstwowych monowarstwowych płatków MXene. Płatki zostały pobrane z macierzystego kryształu o nazwie "MAX", który zawiera metal przejściowy oznaczony jako "M"; element taki jak aluminium lub krzem, oznaczony jako "A"; i albo atom węgla albo azotu, oznaczony jako "X." Naukowcy wykorzystali kwaśny roztwór do wytrawienia monoatomowych warstw aluminium, złuszczania materiału i rozwarstwiania go w pojedyncze monowarstwy węglika tytanu MXene (Ti3C2).

Naukowcy z ORNL zawiesili duży płat MXen na chipie grzewczym z wywierconymi w nim otworami, więc żaden materiał podłoża ani substrat nie przeszkadzał płatkowi. Pod próżnią zawieszony płatek poddano działaniu ciepła i napromieniano wiązką elektronów w celu oczyszczenia powierzchni MXene i całkowitego odsłonięcia warstwy atomów tytanu.

MXen są zwykle obojętne, ponieważ ich powierzchnie pokryte są ochronnymi grupami funkcyjnymi - atomami tlenu, wodoru i fluoru, które pozostają po złuszczaniu kwasem. Po usunięciu grup ochronnych, pozostały materiał aktywuje się. Defekty w skali atomowej - "wakaty" powstałe podczas usuwania tytanu podczas trawienia - są eksponowane na zewnętrznej warstwie monowarstwy. "Te wolne miejsca w atomach są dobrym miejscem inicjacji" - powiedział Sang. "Korzystne jest, by atomy tytanu i węgla przemieszczały się z wadliwych miejsc na powierzchnię". W obszarze z defektem mogą tworzyć się pory, gdy migracja atomów.

"Po zniknięciu tych grup funkcyjnych, teraz pozostawiasz warstwę tytanu (i pod spodem, na przemian węgiel, tytan, węgiel, tytan), który można odtworzyć i utworzyć nowe struktury na istniejących strukturach" - powiedział Sang.

Obrazowanie metodą STEM o wysokiej rozdzielczości wykazało, że atomy przemieszczały się z jednej części materiału na drugą, aby budować konstrukcje. Ponieważ materiał zasila się sam, mechanizm wzrostu jest kanibalistyczny.

"Mechanizm wzrostu jest całkowicie wspierany przez teorię funkcjonalną gęstości i reaktywne symulacje dynamiki molekularnej, otwierając w ten sposób przyszłe możliwości wykorzystania tych narzędzi teoretycznych do określenia parametrów eksperymentalnych wymaganych do syntezy określonych struktur defektów" - powiedział Adri van Duin z Penn State.

Przez większość czasu na powierzchni rosła tylko jedna dodatkowa warstwa węgla i tytanu. Materiał zmienił się, gdy atomy tworzyły nowe warstwy. Ti3C2 zamienił się na przykład w Ti4C3.

"Te materiały są wydajne w transporcie jonowym, co nadaje się również do zastosowań w akumulatorach i superkondensatorach" - powiedział Unocic. "Jak zmienia się transport jonów, kiedy dodajemy więcej warstw do cienkich arkuszy MXene o grubości nanometrów?" To pytanie może pobudzić przyszłe badania.

"Ponieważ MXen zawiera molibden, niob, wanad, tantal, hafn, chrom i inne metale są dostępne, istnieją możliwości stworzenia szeregu nowych struktur zawierających więcej niż trzy lub cztery atomy metalu w przekroju (obecny limit dla MXenes wyprodukowanych z faz MAX) - dodaje Yury Gogotsi z Drexel University. "Materiały te mogą wykazywać różne użyteczne właściwości i tworzyć szereg 2-D cegiełek do zaawansowanej technologii."

W Centrum Nauk Nanofazowych (CNMS) ORNL, Yu Xie, Weiwei Sun i Paul Kent wykonali obliczenia teorii pierwszorzędowych, aby wyjaśnić, dlaczego te materiały rosły warstwa po warstwie, zamiast tworzyć alternatywne struktury, takie jak kwadraty. Xufan Li i Kai Xiao pomogli zrozumieć mechanizm wzrostu, który minimalizuje energię powierzchniową w celu stabilizacji konfiguracji atomowych. Naukowcy z Penn State przeprowadzili na dużą skalę dynamiczne symulacje pola sił reaktywnych pokazujące, jak atomy uporządkowały się na powierzchniach, potwierdzając struktury defektów i ich ewolucję, jak zaobserwowano w doświadczeniach.

Naukowcy mają nadzieję, że nowa wiedza pomoże innym rozwinąć zaawansowane materiały i wygenerować użyteczne struktury w nanoskali.

Tytuł artykułu brzmi "In situ atomistycznego wglądu w mechanizmy wzrostu jednowarstwowych węglików metali przejściowych 2-D".

menu
menu