Te midden van de razernij van wereldwijd onderzoek naar atomair dunne materialen zoals grafeen, er is één gebied dat elke systematische analyse is ontgaan, ook al kan deze informatie cruciaal zijn voor een groot aantal potentiële toepassingen, inclusief ontzilting, DNA sequentie, en apparaten voor kwantumcommunicatie en rekensystemen.

Die ontbrekende informatie heeft te maken met het soort minuscule gebreken, of "gaten, " die zich in deze 2D-platen vormen wanneer enkele atomen ontbreken in het kristalrooster van het materiaal.

Nu dat probleem is opgelost door onderzoekers van MIT, die een catalogus hebben gemaakt van de exacte afmetingen en vormen van gaten die hoogstwaarschijnlijk zouden worden waargenomen (in tegenstelling tot de vele meer die theoretisch mogelijk zijn) wanneer een bepaald aantal atomen uit het atoomrooster wordt verwijderd. De resultaten worden beschreven in het tijdschrift Natuurmaterialen in een paper van afgestudeerde student Ananth Govind Rajan, hoogleraren chemische technologie Daniel Blankschtein en Michael Strano, en vier anderen aan het MIT, Lockheed Martin-ruimte, en de Universiteit van Oxford.

"Het is een al lang bestaand probleem op het gebied van grafeen, wat we het isomerencatalogiseringsprobleem voor nanoporiën noemen, " zegt Strano. Voor degenen die grafeen of vergelijkbaar tweedimensionaal willen gebruiken, plaatachtige materialen voor toepassingen zoals chemische scheiding of filtratie, hij zegt, "We moeten alleen de soorten atoomdefecten begrijpen die kunnen optreden, " vergeleken met het veel grotere aantal dat nooit wordt gezien.

Bijvoorbeeld, Blankschtein wijst erop, door slechts acht aaneengesloten koolstofatomen te verwijderen uit de zeshoekige kippengaas-achtige reeks atomen in grafeen, er zijn 66 ​​verschillende mogelijke vormen die het resulterende gat zou kunnen hebben. Wanneer het aantal verwijderde atomen toeneemt tot 12, het aantal mogelijke vormen springt naar 3, 226, en met 30 atomen verwijderd, er zijn 400 miljard mogelijkheden - een aantal ver boven elke redelijke mogelijkheid van simulatie en analyse. Toch worden slechts een handvol van deze vormen daadwerkelijk gevonden in experimenten, dus het vermogen om te voorspellen welke echt voorkomen, kan van groot nut zijn voor onderzoekers.

Het beschrijven van het gebrek aan informatie over welke soorten gaten er eigenlijk kunnen ontstaan, Strano zegt, "Wat dat deed, practisch gesproken, is het een scheiding gemaakt tussen wat je zou kunnen simuleren met een computer en wat je daadwerkelijk zou kunnen meten in het lab." Deze nieuwe catalogus van de vormen die echt mogelijk zijn, zal het zoeken naar materialen voor specifieke toepassingen veel beter beheersbaar maken, hij zegt.

De mogelijkheid om de analyse uit te voeren, was afhankelijk van een aantal tools die voorheen gewoon niet beschikbaar waren. "Je had dit probleem 10 jaar geleden niet kunnen oplossen, " zegt Strano. Maar nu, met behulp van hulpmiddelen, waaronder chemische grafentheorie, nauwkeurige elektronische structuurberekeningen, en hoge resolutie scanning transmissie elektronenmicroscopie, de onderzoekers hebben beelden gemaakt van de defecten die de exacte posities van de individuele atomen laten zien.

Het team noemt deze gaten in het rooster "antimoleculen" en beschrijft ze in termen van de vorm die zou worden gevormd door de atomen die zijn verwijderd. Deze aanpak biedt, Voor de eerste keer, een eenvoudig en samenhangend raamwerk voor het beschrijven van de hele set van deze complexe vormen. Eerder, "Als je het had over deze poriën in het materiaal, er was geen manier om het specifieke soort gat te identificeren, zegt Govind Rajan. "Als mensen deze poriën vaker gaan aanmaken, het zou goed zijn om een ​​naamgevingsconventie te hebben" om ze te identificeren, hij voegt toe.

Deze nieuwe catalogus zou kunnen helpen om een ​​verscheidenheid aan potentiële toepassingen te ontsluiten. "Defecten zijn zowel goed als slecht, " legt Strano uit. "Soms wil je ze voorkomen, "omdat ze het materiaal verzwakken, maar "andere keren wil je ze maken en hun maten en vormen regelen, " bijvoorbeeld voor filtratie, chemische verwerking, of DNA-sequencing, waar alleen bepaalde specifieke moleculen door deze gaten kunnen gaan. Een andere toepassing kan kwantumcomputer- of communicatieapparatuur zijn waarbij gaten van een specifieke grootte en vorm zijn afgestemd om fotonen van licht met specifieke kleuren en energieniveaus uit te zenden.

Naast hun impact op de mechanische eigenschappen van een materiaal, gaten beïnvloeden elektronische, magnetisch, en optische eigenschappen, zegt Govind Rajan.

"We think that this work will constitute a valuable tool" for research on defects in 2-D materials, Strano predicts, because it will allow researchers to home in on promising types of defects instead of having to sort through countless theoretically possible shapes "that you don't care about at all, because they are so improbable they'll never form."