De ontdekking van grafeen, met zijn hoge sterkte-gewichtsverhouding, flexibiliteit, elektrische geleiding, en het vermogen om een ​​ondoordringbare barrière te vormen, leidde tot een explosie van interesse in 2D-vaste stoffen. Zwak, interacties op lange afstand geven 2D-vaste stoffen een aantal van hun meest interessante gedragingen; daarom, het begrijpen van deze interacties is cruciaal voor de verdere ontwikkeling van deze materialen. Echter, experimentele ondersteuning voor theoretische modellering van de van der Waals-interacties die de lagen van deze materialen bij elkaar houden, ontbrak.

Nutsvoorzieningen, een internationale onderzoeksgroep onder leiding van de Universiteit van Tsukuba en de Universiteit van Aarhus heeft synchrotron-röntgendiffractie-experimenten uitgevoerd op titaniumdisulfide (TiS2) - een overgangsmetaaldichalogenide (TMD) materiaal met een gelaagde 2D-structuur - en de resultaten vergeleken met theoretische berekeningen. Hun benchmarkwerk werd onlangs gepubliceerd in Natuurmaterialen .

"De interactie tussen lagen in van der Waals-materialen zoals TiS2 heeft een significante invloed op hun modificatie, verwerken, en montage, " studie co-auteur Eiji Nishibori zegt. "Door experimentele synchrotron-gegevens te modelleren en te vergelijken met berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie, we hebben verrassende informatie onthuld over de aard van het delen van elektronen tussen lagen in deze materialen."

TiS2 is een archetypisch van der Waals-materiaal, met lagen bestaande uit platen van titanium en zwavel die op elkaar inwerken door sterke chemische bindingen, waar elektronen worden gedeeld tussen atomen, wat resulteert in een relatief vaste structuur. Tussen deze bladen, lange afstand S...S van der Waals-interacties trekken de lagen naar elkaar toe waardoor ze zich kunnen opbouwen, vaste stoffen vormen. Van deze interacties is bekend dat ze veel zwakker zijn dan die binnen de 2D-platen, echter, hoogenergetische synchrotron-röntgenstraling gebruiken om een ​​enkel TiS2-kristal nauwkeurig te meten, de onderzoekers konden aantonen dat de interacties tussen de lagen in feite sterker zijn dan de theorie aangeeft, en omvatten aanzienlijke elektronendeling.

"Dit werk biedt een fundamenteel begrip van een opwindende klasse materialen met tal van potentiële toepassingen in technologieën zoals ionbatterijen, katalyse, en supergeleiders, " zegt hoofdauteur Hidetaka Kasai. "Onze experimenten zijn de eerste die de ware aard onthullen van de interacties die 2D-materialen zo interessant maken, en we hopen dat ze veel toekomstige ontwikkelingen op dit gebied zullen ondersteunen."

De uitstekende overeenkomst van de synchrotron-diffractiegegevens met theoretische berekeningen bij het beschrijven van de intralaagse Ti-S-interacties, ondersteunt de validiteit van deze nieuw gevonden verschillen voor de lange-afstandsinteracties over de hiaten tussen de lagen. De bevindingen zullen naar verwachting substantieel bijdragen aan het fundamentele begrip van zwakke chemische binding in 2-D gelaagde materialen in het algemeen, en aan de ontwikkeling van TMD-materialen.