(Phys.org) — Een onderzoeksteam onder leiding van SLAC-wetenschappers heeft een potentiële nieuwe route ontdekt om dunne diamantfilms te produceren voor een verscheidenheid aan industriële toepassingen, van snijgereedschappen tot elektronische apparaten tot elektrochemische sensoren.

De wetenschappers voegden een paar lagen grafeen toe - één atoom dikke platen grafiet - aan een metalen drager en stelden de bovenste laag bloot aan waterstof. Tot hun verbazing, de reactie aan het oppervlak veroorzaakte een domino-effect dat de structuur van alle grafeenlagen veranderde van grafietachtig naar diamantachtig.

"We leveren het eerste experimentele bewijs dat hydrogenering zo'n overgang in grafeen kan induceren, " zegt Sarp Kaya, onderzoeker bij het SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis en corresponderende auteur van de recente studie.

Van potlood tot diamant

Grafiet en diamant zijn twee vormen van hetzelfde chemische element, koolstof. Nog, hun eigenschappen konden niet meer verschillen. in grafiet, koolstofatomen zijn gerangschikt in vlakke platen die gemakkelijk tegen elkaar kunnen glijden. Door deze structuur is het materiaal erg zacht en kan het worden gebruikt in producten zoals potloodstift.

in diamant, anderzijds, de koolstofatomen zijn in alle richtingen sterk gebonden; dus diamant is extreem hard. Naast mechanische sterkte, zijn buitengewone elektrische, optische en chemische eigenschappen dragen bij aan de grote waarde van diamant voor industriële toepassingen.

Wetenschappers willen de structurele overgang tussen verschillende koolstofvormen begrijpen en beheersen om selectief de ene in de andere te transformeren. Een manier om grafiet in diamant te veranderen, is door druk uit te oefenen. Echter, aangezien grafiet onder normale omstandigheden de meest stabiele vorm van koolstof is, het duurt ongeveer 150, 000 keer de atmosferische druk aan het aardoppervlak om dit te doen.

Nutsvoorzieningen, een alternatieve manier die werkt op nanoschaal ligt binnen handbereik. "Onze studie toont aan dat hydrogenering van grafeen een nieuwe route zou kunnen zijn om ultradunne diamantachtige films te synthetiseren zonder druk uit te oefenen, ' zegt Kaya.

Domino Effect

Voor hun experimenten, de onderzoekers laadden een platinadrager met maximaal vier vellen grafeen en voegden waterstof toe aan de bovenste laag. Met behulp van intense röntgenstralen van SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL, Beam Line 13-2) en aanvullende theoretische berekeningen uitgevoerd door SUNCAT-onderzoeker Frank Abild-Pedersen, het team bepaalde vervolgens hoe waterstof de gelaagde structuur beïnvloedde.

Ze ontdekten dat waterstofbinding een domino-effect veroorzaakte, met structurele veranderingen die zich vanaf het oppervlak van het monster door alle onderliggende koolstoflagen voortplanten, het veranderen van de aanvankelijke grafietachtige structuur van vlakke koolstofplaten in een rangschikking van koolstofatomen die op diamant lijkt.

De ontdekking was onverwacht. Het oorspronkelijke doel van het experiment was om te zien of het toevoegen van waterstof de eigenschappen van grafeen zou kunnen veranderen op een manier die het bruikbaar zou maken in transistors, de fundamentele bouwsteen van elektronische apparaten. In plaats daarvan, de wetenschappers ontdekten dat waterstofbinding resulteerde in de vorming van chemische bindingen tussen grafeen en het platinasubstraat.

Het blijkt dat deze bindingen cruciaal zijn voor het domino-effect. "Om dit proces stabiel te houden, het platinasubstraat moet zich hechten aan de koolstoflaag die er het dichtst bij ligt, " legt Kaya uit. "Het vermogen van platina om deze bindingen te vormen, bepaalt de algehele stabiliteit van de diamantachtige film."

Toekomstig onderzoek zal het volledige potentieel van gehydrogeneerd grafeen met enkele lagen voor toepassingen in de materiaalwetenschappen onderzoeken. Het zal bijzonder interessant zijn om te bepalen of diamantachtige films kunnen worden gekweekt op andere metalen substraten, met behulp van grafeen van verschillende diktes.