Na de isolatie van grafeen in 2004, een ras begon nieuwe tweedimensionale materialen te synthetiseren. Dit zijn enkellaagse stoffen met een dikte tussen één atoom en enkele nanometers (miljardsten van een meter). Ze hebben unieke eigenschappen die verband houden met hun verminderde dimensionaliteit en spelen een sleutelrol in de ontwikkeling van nanotechnologie en nano-engineering.

Een internationale groep onderzoekers, waaronder Braziliaanse wetenschappers verbonden aan de Universiteit van Campinas (UNICAMP), zijn erin geslaagd een nieuw materiaal met deze eigenschappen te produceren.

De onderzoekers haalden uit gewoon ijzererts een 2D-materiaal dat ze hematene noemen. Het materiaal is slechts drie atomen dik en er wordt aangenomen dat het verbeterde fotokatalytische eigenschappen heeft. Deze innovatie wordt beschreven in een artikel gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

"Het materiaal dat we hebben gesynthetiseerd, kan fungeren als een fotokatalysator om water te splitsen in waterstof en zuurstof, zodat elektriciteit kan worden opgewekt uit waterstof, naast verschillende andere mogelijke toepassingen, " zei Douglas Soares Galvão, een van de auteurs van de studie en co-hoofdonderzoeker bij CCES.

Het nieuwe materiaal werd geëxfolieerd van hematiet, een van de meest voorkomende mineralen op aarde en de belangrijkste bron van ijzer, wat is het goedkoopste metaal, gebruikt in veel producten en vooral om staal te maken.

In tegenstelling tot koolstof en zijn 2D-vorm grafeen, hematiet is een niet-van der Waals materiaal, wat betekent dat het bij elkaar wordt gehouden door 3D-bindingsnetwerken in plaats van door niet-chemische en relatief zwakkere atomaire van der Waals-interacties, die niet-covalent zijn (ze omvatten niet het delen van een of meer paren elektronen door de atomen die deelnemen aan de binding).

Omdat het een natuurlijk voorkomend mineraal is, heeft een sterk georiënteerde, grote kristallen en is een niet-van der Waals materiaal, de onderzoekers geloven dat hematiet een uitstekende voorloper is voor de afschilfering van nieuwe 2D-materialen.

"De meeste 2D-materialen die tot nu toe zijn gesynthetiseerd, zijn afgeleid van monsters van van der Waals-vaste stoffen. Niet-van der Waals 2-D-materialen met sterk geordende atomaire lagen en grote korrels zijn nog steeds zeldzaam, ' zei Galvão.

Hemateen werd gesynthetiseerd door de vloeibare fase afschilfering van hematiet erts in een organisch oplosmiddel, N, N-dimethylformamide (DMF). Transmissie-elektronenmicroscopie bevestigde de afschilfering en vorming van hematene in enkele vellen met een dikte van slechts drie ijzer- en zuurstofatomen (monolaag) en in willekeurig gestapelde dubbellaagse vellen.

Er werden tests en wiskundige berekeningen uitgevoerd om de magnetische eigenschappen van hematene te bestuderen. De resultaten toonden aan dat ze verschilden van de magnetische eigenschappen van hematiet. Hoewel natuurlijk hematiet antiferromagnetisch is, hematene is ferromagnetisch, als een gewone magneet. Bij ferromagneten, de dipolen zijn evenwijdig en in dezelfde richting uitgelijnd. Bij antiferromagneten, de dipolen zijn antiparallel en uitgelijnd in tegengestelde richtingen.

"Bij ferromagneten, de magnetische momenten van de atomen wijzen in dezelfde richting. Bij antiferromagneten, de momenten in aangrenzende atomen wisselen elkaar af, " legde Galvão uit.

Efficiënte fotokatalysator

De onderzoekers analyseerden ook de fotokatalytische eigenschappen van hematene - het vermogen om de snelheid van een chemische reactie te verhogen wanneer deze wordt geactiveerd door licht. De resultaten toonden aan dat fotokatalyse door hematene efficiënter is dan fotokatalyse door hematiet, waarvan de fotokatalytische eigenschappen bekend zijn, maar niet sterk genoeg om bruikbaar te zijn.

Om een ​​materiaal een efficiënte fotokatalysator te laten zijn, het moet het zichtbare deel van het zonlicht absorberen, een elektrische lading genereren, en transporteer het naar het oppervlak van het materiaal om de gewenste reactie uit te voeren.

Hematiet absorbeert zonlicht van het ultraviolet tot het geeloranje gebied, maar de lading die het produceert is van zeer korte duur. Als resultaat, het vervaagt voordat het de oppervlakte bereikt.

Fotokatalyse van hemaaten is efficiënter omdat fotonen binnen enkele atomen van het oppervlak zowel negatieve als positieve ladingen genereren. aldus de onderzoekers. Door het nieuwe materiaal te combineren met titaniumdioxide-nanobuisjes, die zorgen voor een gemakkelijke weg voor elektronen om het hematene te verlaten, de wetenschappers ontdekten dat ze meer zichtbaar licht konden absorberen.

"Hemaaten kan een efficiënte fotokatalysator zijn, vooral voor het splitsen van water in waterstof en zuurstof, en zou ook kunnen dienen als een ultradun magnetisch materiaal voor op spintronica gebaseerde apparaten, " zei de FAPESP RIDC-onderzoeker. Spintronica (of magneto-elektronica) is een nieuwe technologie die wordt gebruikt voor het opslaan, informatie weergeven en verwerken op basis van veranderingen veroorzaakt door de spin van een elektron, die direct gekoppeld is aan zijn magnetische moment.

De groep heeft andere niet-van der Waals-materialen onderzocht op hun potentieel om aanleiding te geven tot andere 2D-materialen met exotische eigenschappen. "Er zijn een aantal andere ijzeroxiden en derivaten daarvan die kandidaten zijn voor het ontstaan ​​van nieuwe 2D-materialen, ' zei Galvão.