Wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben een tweedimensionaal materiaal ertoe aangezet om zichzelf te kannibaliseren voor atomaire "bouwstenen" waaruit stabiele structuren werden gevormd.

De bevindingen, gemeld in Natuurcommunicatie , bieden inzichten die het ontwerp van 2D-materialen voor snel opladende energieopslag en elektronische apparaten kunnen verbeteren.

"Onder onze experimentele omstandigheden, titanium- en koolstofatomen kunnen spontaan een atomair dunne laag van 2-D overgangsmetaalcarbide vormen, die nooit eerder werd waargenomen, " zei Xiahan Sang van ORNL.

Hij en ORNL's Raymond Unocic leidden een team dat in situ experimenten uitvoerde met behulp van ultramoderne scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM), gecombineerd met op theorie gebaseerde simulaties, om de atomistische details van het mechanisme te onthullen.

"Deze studie gaat over het bepalen van de mechanismen en kinetiek op atomair niveau die verantwoordelijk zijn voor het vormen van nieuwe structuren van een 2-D overgangsmetaalcarbide, zodat nieuwe synthesemethoden kunnen worden gerealiseerd voor deze klasse van materialen, ', voegde Unocic eraan toe.

Het uitgangsmateriaal was een 2-D keramiek genaamd MXene (uitgesproken als "max een"). In tegenstelling tot de meeste keramiek, MXenen zijn goede elektrische geleiders omdat ze zijn gemaakt van afwisselende atomaire lagen koolstof of stikstof die zijn ingeklemd tussen overgangsmetalen zoals titanium.

Het onderzoek was een project van de Fluid Interface Reactions, Structuren en Transport (EERSTE) Centrum, een DOE Energy Frontier Research Center dat vloeistof-vaste interfacereacties onderzoekt die gevolgen hebben voor energietransport in alledaagse toepassingen. Wetenschappers voerden experimenten uit om geavanceerde materialen te synthetiseren en te karakteriseren en voerden theorie- en simulatiewerk uit om de waargenomen structurele en functionele eigenschappen van de materialen te verklaren. Nieuwe kennis van FIRST-projecten biedt handvatten voor toekomstige studies.

Het hoogwaardige materiaal dat in deze experimenten werd gebruikt, werd gesynthetiseerd door wetenschappers van de Drexel University, in de vorm van vijflaagse monolaagvlokken met één kristal van MXene. De vlokken waren afkomstig van een ouderkristal genaamd "MAX, " die een overgangsmetaal bevat, aangeduid met "M"; een element zoals aluminium of silicium, aangeduid met "A"; en ofwel een koolstof- of stikstofatoom, aangeduid met "X". De onderzoekers gebruikten een zure oplossing om de monoatomaire aluminiumlagen uit te etsen, exfolieer het materiaal en delamineer het in individuele monolagen van een titaniumcarbide MXene (Ti3C2).

De ORNL-wetenschappers hingen een grote MXene-vlok op een verwarmingschip met gaten erin geboord, dus geen ondersteunend materiaal, of ondergrond, bemoeide zich met de vlok. Onder vacuum, de gesuspendeerde vlok werd blootgesteld aan hitte en bestraald met een elektronenstraal om het MXene-oppervlak te reinigen en de laag titaniumatomen volledig bloot te leggen.

MXenen zijn doorgaans inert omdat hun oppervlakken bedekt zijn met beschermende functionele groepen:zuurstof, waterstof- en fluoratomen die achterblijven na zure exfoliatie. Nadat beschermende groepen zijn verwijderd, het resterende materiaal wordt geactiveerd. Defecten op atoomschaal - "vacatures" die ontstaan ​​wanneer titaniumatomen worden verwijderd tijdens het etsen - worden zichtbaar op de buitenste laag van de monolaag. "Deze atomaire vacatures zijn goede startplaatsen, "Zei Sang. "Het is gunstig voor titanium- en koolstofatomen om van defecte locaties naar de oppervlakte te gaan." In een gebied met een defect, er kan zich een porie vormen wanneer atomen migreren.

"Als die functionele groepen eenmaal verdwenen zijn, nu heb je een kale titaniumlaag (en daaronder, afwisselend koolstof, titanium, koolstof, titanium) dat vrij is om nieuwe structuren te reconstrueren en te vormen bovenop bestaande structuren, ' zei Sang.

STEM-beeldvorming met hoge resolutie bewees dat atomen van het ene deel van het materiaal naar het andere gingen om structuren te bouwen. Omdat het materiaal zichzelf voedt, het groeimechanisme is kannibalistisch.

"Het groeimechanisme wordt volledig ondersteund door dichtheidsfunctionaaltheorie en reactieve moleculaire dynamica-simulaties, waardoor toekomstige mogelijkheden worden geopend om deze theoretische instrumenten te gebruiken om de experimentele parameters te bepalen die nodig zijn voor het synthetiseren van specifieke defectstructuren, " zei Adri van Duin van Penn State.

Meestal, slechts één extra laag [van koolstof en titanium] groeide op een oppervlak. Het materiaal veranderde toen atomen nieuwe lagen bouwden. Ti3C2 veranderde in Ti4C3, bijvoorbeeld.

"Deze materialen zijn efficiënt in ionisch transport, die zich goed leent voor toepassingen met batterijen en supercondensatoren, "Zei Unocic. "Hoe verandert ionisch transport wanneer we meer lagen toevoegen aan nanometer-dunne MXene-vellen?" Deze vraag kan toekomstige studies stimuleren.

"Omdat MXenen die molybdeen bevatten, niobium, vanadium, tantaal, hafnium, chroom en andere metalen zijn beschikbaar, er zijn mogelijkheden om een ​​verscheidenheid aan nieuwe structuren te maken met meer dan drie of vier metaalatomen in doorsnede (de huidige limiet voor MXenen geproduceerd uit MAX-fasen), " Yury Gogotsi van Drexel University voegde toe. "Die materialen kunnen verschillende nuttige eigenschappen vertonen en een reeks 2D-bouwstenen creëren voor geavanceerde technologie."

Bij ORNL's Centre for Nanophase Materials Sciences (CNMS), Yu Xie, Weiwei Sun en Paul Kent voerden theorieberekeningen uit om uit te leggen waarom deze materialen laag voor laag groeiden in plaats van alternatieve structuren te vormen. zoals vierkanten. Xufan Li en Kai Xiao hielpen het groeimechanisme te begrijpen, die oppervlakte-energie minimaliseert om atomaire configuraties te stabiliseren. Wetenschappers van Penn State voerden grootschalige dynamische reactieve krachtveldsimulaties uit die lieten zien hoe atomen zich herschikten op oppervlakken, bevestiging van defectstructuren en hun evolutie zoals waargenomen in experimenten.

De onderzoekers hopen dat de nieuwe kennis anderen zal helpen geavanceerde materialen te laten groeien en nuttige structuren op nanoschaal te genereren.

De titel van het artikel is "In situ atomistisch inzicht in de groeimechanismen van enkellaags 2-D overgangsmetaalcarbiden."