Nadat in 2004 voor het eerst grafeen in het laboratorium werd geproduceerd, duizenden laboratoria begonnen wereldwijd grafeenproducten te ontwikkelen. Onderzoekers stonden versteld van zijn lichtgewicht en ultrasterke eigenschappen. Tien jaar later, wetenschappers zoeken nu naar andere materialen met hetzelfde potentieel.

"We blijven werken met grafeen, en er zijn enkele toepassingen waar het heel goed werkt, " zei Mark Hersam, de Bette en Neison Harris-leerstoel in Teaching Excellence aan de McCormick School of Engineering and Applied Science van de Northwestern University, wie is een grafeenexpert. "Maar het is niet het antwoord op alle problemen van de wereld."

Onderdeel van een familie van materialen die overgangsmetaaldichalcogeniden worden genoemd, molybdeendisulfide (MoS2) is naar voren gekomen als een voorlopermateriaal voor exploratie in het laboratorium van Hersam. zoals grafeen, het kan worden geëxfolieerd tot atomair dunne vellen. Terwijl het dunner wordt tot de atomaire limiet, het wordt fluorescerend, waardoor het bruikbaar is voor opto-elektronica, zoals light-emitting diodes, of lichtabsorberende apparaten, zoals zonnecellen. MoS2 is ook een echte halfgeleider, waardoor het een uitstekende kandidaat is voor elektronica, en het is van oudsher gebruikt in katalyse om zwavel uit ruwe olie te verwijderen, die zure regen voorkomt.

De uitdaging voor Hersam was om een ​​manier te vinden om atomair dunne platen van dit veelbelovende materiaal op grotere schaal te isoleren. De afgelopen zes jaar heeft zijn lab heeft methoden ontwikkeld om dunne lagen grafeen te exfoliëren uit grafiet, oplossingsgerichte methoden gebruiken.

"Je zou denken dat het gemakkelijk zou zijn om hetzelfde te doen voor molybdeendisulfide, " zei hij. "Maar het probleem is dat hoewel de exfoliatie vergelijkbaar is met grafeen, de scheiding is aanzienlijk uitdagender."

Hersams onderzoek wordt beschreven in het artikel "Thickness sorting of two-dimensional transition metal dichalcogenides via copolymeer-assisted gradient ultracentrifugation, " die werd gepubliceerd in het nummer van 13 november van" Natuurcommunicatie .

Om grafeenlagen te sorteren, Hersam gebruikte middelpuntvliedende kracht om materialen te scheiden op dichtheid. Om dit te doen, hij en zijn groep voegden het materiaal toe aan een centrifugebuis samen met een gradiënt van een oplossing op waterbasis. Na centrifugeren, de dichtere soorten bewegen naar de bodem, het creëren van dichtheden in de centrifugebuis. Grafeen sorteert in enkellaagse vellen naar boven toe, dan dubbellaagse platen, drielaags, enzovoort. Omdat grafeen een relatief lage dichtheid heeft, het sorteert gemakkelijk in vergelijking met materialen met een hogere dichtheid.

"Als ik exact hetzelfde proces gebruik met molybdeendisulfide, zijn hogere dichtheid zal ervoor zorgen dat het crasht, "Zei Hersam. "Het overschrijdt de maximale dichtheid van de gradiënt, waarvoor een innovatieve oplossing nodig was."

Hersam moest het inherent dichte materiaal nemen en de dichtheid ervan effectief verminderen zonder het materiaal zelf te veranderen. Hij realiseerde zich dat dit doel kon worden bereikt door de dichtheid van de moleculen die worden gebruikt om MoS2 te verspreiden, af te stemmen. Vooral, het gebruik van meer volumineuze polymeerdispergeermiddelen maakte het mogelijk de effectieve dichtheid van MoS2 te verlagen tot het bereik van de dichtheidsgradiënt. Op deze manier, de vellen MoS2 dreven op gelaagde posities in plaats van zich te verzamelen als de bodem van de centrifugebuis. Deze techniek werkt niet alleen voor MoS2, maar voor andere materialen in de familie van overgangsmetaaldichalcogeniden.

"Nu kunnen we een enkele laag isoleren, dubbellaags, of drielagige overgangsmetaaldichalcogeniden op een schaalbare manier, "Zei Hersam. "Dit proces stelt ons in staat om hun bruikbaarheid in grootschalige toepassingen te verkennen, zoals elektronica, opto-elektronica, katalyse, en zonnecellen."