Na zes jaar hard werken, een groep materiaalwetenschappers van de University of Wisconsin-Madison gelooft dat hun doorbraak in het kweken van minuscule vellen zinkoxide enorme implicaties kan hebben voor de toekomst van de productie van nanomaterialen - en op zijn beurt, op een groot aantal elektronische en biomedische apparaten.

De groep, geleid door Xudong Wang, een universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan UW-Madison, en postdoctoraal onderzoeker Fei Wang, heeft een nieuwe techniek ontwikkeld voor het synthetiseren van tweedimensionale nanosheets van verbindingen die van nature niet de atomaire laag-dikke materialen vormen. Het is de eerste keer dat een dergelijke techniek succesvol is, en de onderzoekers beschreven hun bevindingen 20, Januari, 2016, in het journaal Natuurcommunicatie .

In wezen het microscopische equivalent van een enkel vel papier, een 2D nanosheet is een materiaal dat beperkt is tot slechts enkele atomaire lagen in één richting. Nanomaterialen - materialen die in ten minste één dimensie beperkt zijn tot maximaal een handvol atomaire lagen - hebben unieke fysieke eigenschappen die hun elektronische en chemische eigenschappen veranderen in relatie tot hun qua samenstelling identieke maar conventionele, en groter, materiële tegenhangers. "Wat leuk is aan een 2D-nanomateriaal, is dat omdat het een plaat is, het is veel gemakkelijker voor ons om te manipuleren in vergelijking met andere soorten nanomaterialen, " zegt Xudong Wang.

Tot nu, materiaalwetenschappers waren beperkt tot het werken met natuurlijk voorkomende 2D nanosheets. Deze natuurlijke 2D-structuren omvatten grafeen, een enkele laag grafiet, en een beperkt aantal andere verbindingen. Het ontwikkelen van een betrouwbare methode om 2D-nanobladen van andere materialen te synthetiseren en te vervaardigen is al jaren een doel van materiaalonderzoekers en de nanotechnologie-industrie.

In hun techniek, het UW-Madison-team bracht een speciaal geformuleerde oppervlakteactieve stof - een wasmiddelachtige substantie - aan op het oppervlak van een vloeistof die zinkionen bevat. Door zijn chemische eigenschappen, de oppervlakteactieve stof assembleert zichzelf tot een enkele laag aan het vloeistofoppervlak, met negatief geladen sulfaationen in de richting van de vloeistof gericht. Die sulfaationen trekken de positief geladen zinkionen vanuit de vloeistof naar het oppervlak, en binnen een paar uur worden genoeg zinkionen opgezogen om continue zinkoxide nanosheets te vormen van slechts enkele atoomlagen dik.

Xudong Wang kwam voor het eerst op het idee om een ​​oppervlakteactieve stof te gebruiken om nanosheets te laten groeien tijdens een lezing die hij gaf in een cursus over nanotechnologie in 2009.

"De cursus omvat een lezing over zelfassemblage van monolagen, " zegt Xudong Wang. "Onder de juiste omstandigheden, een oppervlakteactieve stof zal zichzelf assembleren om een ​​monolaag te vormen. Dit is een bekend proces dat ik in de klas leer. Dus terwijl ik dit leerde, vroeg ik me af waarom we deze methode niet zouden kunnen omkeren en de monolaag van oppervlakteactieve stoffen eerst zouden gebruiken om het kristallijne gezicht te laten groeien."

Na vijf jaar vallen en opstaan ​​met verschillende oppervlakteactieve oplossingen, het idee heeft uiteindelijk ongeveer een jaar geleden zijn vruchten afgeworpen.

“We zijn hier erg enthousiast over, ", zegt Xudong Wang. "Dit is absoluut een nieuwe manier om 2D-nanobladen te fabriceren, en het heeft een groot potentieel voor verschillende materialen en voor veel verschillende toepassingen."

De onderzoekers hebben al ontdekt dat de 2D-zinkoxide-nanobladen die ze hebben gekweekt, kunnen functioneren als p-type halfgeleidertransistors, wat het tegenovergestelde elektronische gedrag is van natuurlijk voorkomend zinkoxide. Onderzoekers hebben geruime tijd geprobeerd zinkoxide te produceren met betrouwbare p-type halfgeleidereigenschappen.

Zinkoxide is een zeer nuttige component van elektronische materialen, en de nieuwe nanosheets hebben potentieel voor gebruik in sensoren, transducers en opto-elektronica.

Maar de zinkoxide-nanobladen zijn slechts de eerste van wat een revolutie zou kunnen zijn in 2D-nanomaterialen. Nu al, het UW-Madison-team past zijn oppervlakteactieve methode toe op het kweken van 2D-nanobladen van goud en palladium, en de techniek is veelbelovend voor het kweken van nanosheets van allerlei soorten metalen die ze op natuurlijke wijze niet zouden vormen.

"Het brengt veel nieuw functioneel materiaal naar deze 2D-materiaalcategorie, ' zegt Xudong Wang.