Onderzoekers van Penn State, het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy en Lockheed Martin Space Systems Company hebben methoden ontwikkeld om defecten in tweedimensionale materialen te beheersen, zoals grafeen, die kunnen leiden tot verbeterde membranen voor waterontzilting, energie opslag, sensing of geavanceerde beschermende coatings.

Voor een tweedimensionale een atoom dik materiaal zoals grafeen, gebreken zoals kleine scheurtjes of gaten kunnen een groot verschil maken in de prestaties. Gebruikelijk, deze gebreken worden als ongewenst beschouwd. Maar als de gebreken kunnen worden gecontroleerd, ze kunnen worden gebruikt om nieuwe, gewenste eigenschappen in het materiaal.

"Zolang je gebreken kunt beheersen, je zou in staat kunnen zijn om te synthetiseren in welke reactie het grafeen je ook zal geven, " zegt Adri van Duin, corresponderende auteur van een recent artikel in het tijdschrift van de American Chemical Society ACS Nano . "Maar dat vereist wel dat je heel goede controle hebt over defectstructuur en defectgedrag. Wat we hier hebben gedaan, is een behoorlijk sterke stap in die richting."

van Duin is de mede-uitvinder en hoofdontwikkelaar van een wiskundige modellerings- en simulatietechniek genaamd ReaxFF, die in staat is om de interacties van duizenden atomen te voorspellen wanneer ze worden verstoord door een externe kracht, in dit geval het bombardement van grafeen door atomen van een edelgas.

De edelgassen, waaronder helium, neon, argon, krypton en xenon, worden vaak gebruikt om defecten in grafeen te creëren om de eigenschappen ervan te verbeteren. Door een of meer koolstofatomen uit de onderling verbonden zeshoeken van grafeen te slaan, een structuur die doet denken aan kippengaas, het resulterende gat kan worden opgevuld door atomen van een ander materiaal of molecuul in een proces dat doping wordt genoemd. Doping kan de chemische of elektrische eigenschappen van het grafeen veranderen, tot, bijvoorbeeld, watermoleculen doorlaten terwijl ze zoutdeeltjes afstoten.

"We hebben een reeks simulaties op atomaire schaal gedaan waarbij we edelgasionen in het grafeen versnellen. De simulaties gaven vrijwel dezelfde defectpatronen als experimenten, van Duin. "Dat betekent dat onze simulaties de experimentator kunnen vertellen welke dosis atomen bij welke versnelling ze nodig hebben om dat soort defecten te krijgen."

Omdat defecten in de seconden na de creatie in verschillende vormen kunnen veranderen of kunnen bewegen, zijn groep simuleert ook het grafeen in een oven te plaatsen en op hoge temperatuur te verwarmen, gloeien genoemd, om de structuur te stabiliseren.

Het is ongebruikelijk dat een atomistische simulatie overeenkomt met dezelfde grootte, tijd en belichtingsbereik als experiment, vanwege de rekenkosten van het doen van interacties tussen duizenden atomen gedurende de tijdschaal die nodig is om een ​​materiaal te stabiliseren, zegt van Duin. De reactieve krachtveldmethode (ReaxFF), ontwikkeld door van Duin en William A. Goddard van CalTech, kan chemische en fysische interacties in moleculen en materialen modelleren terwijl bindingen tussen atomen zich vormen en breken.

Kichu Yoon, de hoofdauteur van de paper en een afgestudeerde student in de groep van Van Duin, zegt, "Deze studie geeft inzicht in de atomaire schaaldetails van grafeenbestraling en is een voorbereidende stap in het ontwerpen van gefunctionaliseerde koolstofmaterialen in twee dimensies."

van Duin voegt toe, "Het is duidelijk dat er niets is dat dit exclusief maakt voor grafeen. Elk 2D-materiaal kan met dezelfde simulaties worden behandeld. Iedereen die een 2D-materiaal wil dopen of defecten wil begrijpen, zal geïnteresseerd zijn in deze simulaties."

De onderzoekers zijn van plan om met Lockheed Martin te blijven werken aan ruimtevaarttoepassingen en zullen ook het doel van op grafeen gebaseerde waterontzilting nastreven. Jacob Swett van Lockheed Martin bereidde de monsters voor die in experimenten werden gebruikt en was cruciaal om het project vooruit te helpen.

Om simulaties te correleren met experimenten, de onderzoekers vertrouwden op het Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), een DOE Office of Science User Facility bij ORNL, om defecten te creëren met behulp van ionenbombardement en vervolgens die defecten te karakteriseren met behulp van beeldvorming met atomaire resolutie. "Bij CNMS, we hebben state-of-the-art helium- en neon-ionenbundel en aberratie-gecorrigeerde scanning transmissie-elektronenmicroscopie-instrumenten die atomistische schaalkarakterisering mogelijk maken, " zegt Raymond Unocic, een R&D-stafwetenschapper bij Oak Ridge National Laboratory.