Nieuw onderzoek onder leiding van wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en de Stanford University laat zien hoe individuele atomen in biljoensten van een seconde bewegen om rimpels te vormen op een materiaal van drie atomen dik. Geopenbaard door een gloednieuwe "elektronencamera, " een van 's werelds snelste, dit ongekende detailniveau zou onderzoekers kunnen begeleiden bij de ontwikkeling van efficiënte zonnecellen, snelle en flexibele elektronica en krachtige chemische katalysatoren.

De doorbraak, geaccepteerd voor publicatie 31 aug. in Nano-letters , materiaalwetenschap naar een heel nieuw niveau kunnen tillen. Het werd mogelijk gemaakt met SLAC's instrument voor ultrasnelle elektronendiffractie (UED), die energetische elektronen gebruikt om snapshots van atomen en moleculen te maken op tijdschalen zo snel als 100 quadriljoenste van een seconde.

"Dit is het eerste gepubliceerde wetenschappelijke resultaat met ons nieuwe instrument, " zei wetenschapper Xijie Wang, SLAC's UED-teamleider. "Het toont de uitstekende combinatie van atomaire resolutie, snelheid en gevoeligheid."

SLAC-directeur Chi-Chang Kao zei:"Samen met aanvullende gegevens van SLAC's röntgenlaser Linac Coherent Light Source, UED creëert ongekende kansen voor ultrasnelle wetenschap in een breed scala aan disciplines, van materiaalkunde tot scheikunde tot de biowetenschappen." LCLS is een DOE Office of Science User Facility.

Buitengewone materiaaleigenschappen in twee dimensies

monolagen, of 2D-materialen, bevatten slechts een enkele laag moleculen. In deze vorm kunnen ze nieuwe en opwindende eigenschappen aannemen, zoals superieure mechanische sterkte en een buitengewoon vermogen om elektriciteit en warmte te geleiden. Maar hoe krijgen deze monolagen hun unieke eigenschappen? Tot nu, onderzoekers hadden slechts een beperkt zicht op de onderliggende mechanismen.

"De functionaliteit van 2D-materialen hangt in grote mate af van hoe hun atomen bewegen, " zei SLAC en Stanford-onderzoeker Aaron Lindenberg, die het onderzoeksteam leidde. "Echter, niemand heeft deze bewegingen ooit eerder op atomair niveau en in realtime kunnen bestuderen. Onze resultaten zijn een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van apparaten van de volgende generatie van enkellaagse materialen." Het onderzoeksteam keek naar molybdeendisulfide, of MoS2, dat veel wordt gebruikt als smeermiddel, maar een aantal interessante gedragingen aanneemt in een enkellaagse vorm - meer dan 150, 000 keer dunner dan een mensenhaar.

Bijvoorbeeld, de monolaagvorm is normaal gesproken een isolator, maar wanneer uitgerekt, het kan elektrisch geleidend worden. Dit schakelgedrag kan worden gebruikt in dunne, flexibele elektronica en voor het coderen van informatie in apparaten voor gegevensopslag. Dunne films van MoS2 worden ook bestudeerd als mogelijke katalysatoren die chemische reacties vergemakkelijken. In aanvulling, ze vangen licht zeer efficiënt op en kunnen in toekomstige zonnecellen worden gebruikt.

Door deze sterke interactie met licht, onderzoekers denken ook dat ze de eigenschappen van het materiaal kunnen manipuleren met lichtpulsen.

"Om toekomstige apparaten te ontwikkelen, controleer ze met licht en creëer nieuwe eigenschappen door systematische aanpassingen, we moeten eerst de structurele transformaties van monolagen op atomair niveau begrijpen, " zei Stanford-onderzoeker Ehren Mannebach, hoofdauteur van de studie.

Elektronencamera onthult ultrasnelle bewegingen

Eerdere analyses toonden aan dat enkele lagen molybdeendisulfide een gerimpeld oppervlak hebben. Echter, deze onderzoeken gaven slechts een statisch beeld. De nieuwe studie onthult voor het eerst hoe oppervlakterimpels zich vormen en evolueren als reactie op laserlicht.

Onderzoekers van SLAC plaatsten hun monolaagmonsters, die zijn opgesteld door de groep van Linyou Cao aan de North Carolina State University, in een bundel van zeer energetische elektronen. de elektronen, die gebundeld zijn in ultrakorte pulsen, verstrooi de atomen van het monster en produceer een signaal op een detector die wetenschappers gebruiken om te bepalen waar atomen zich in de monolaag bevinden. Deze techniek wordt ultrasnelle elektronendiffractie genoemd.

Het team gebruikte vervolgens ultrakorte laserpulsen om bewegingen in het materiaal op te wekken, waardoor het verstrooiingspatroon in de loop van de tijd verandert.

"Gecombineerd met theoretische berekeningen, deze gegevens laten zien hoe de lichtpulsen rimpels genereren met grote amplitudes - meer dan 15 procent van de laagdikte - en extreem snel ontwikkelen, in ongeveer een biljoenste van een seconde. Dit is de eerste keer dat iemand deze ultrasnelle atoombewegingen heeft gevisualiseerd, ' zei Lindenberg.

Zodra wetenschappers monolagen van verschillende materialen beter begrijpen, ze zouden kunnen beginnen ze samen te stellen en gemengde materialen te ontwikkelen met volledig nieuwe optische, mechanisch, elektronische en chemische eigenschappen.