Wetenschappers van Skoltech hebben het gedrag gemodelleerd van nanobellen die verschijnen in heterostructuren van Van der Waals en het gedrag van stoffen die in de bellen zijn opgesloten. In de toekomst, het nieuwe model zal helpen bij het verkrijgen van toestandsvergelijkingen voor stoffen in nanovolumes, nieuwe mogelijkheden openen voor de winning van koolwaterstoffen uit gesteente met grote hoeveelheden micro- en nanoporiën. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in de Tijdschrift voor Chemische Fysica .

De nanostructuren van Van der Waals zijn veelbelovend voor de studie van de kleinste monsters met volumes van 1 kubieke micron tot enkele kubieke nanometers. Deze atomair dunne lagen van tweedimensionale materialen, zoals grafeen, hexagonaal boornitride (hBN) en dichalcogeniden van overgangsmetalen, worden bij elkaar gehouden door zwakke van der Waals interactie alleen. Door een monster tussen de lagen in te voegen, worden de bovenste en onderste lagen van elkaar gescheiden, waardoor de bovenste laag optilt om een ​​nanobel te vormen. De resulterende structuur komt dan beschikbaar voor transmissie-elektronen- en atoomkrachtmicroscopie, inzicht geven in de structuur van de stof in de bel.

De eigenschappen van stoffen in de van der Waals-nanobellen zijn vrij ongebruikelijk. Bijvoorbeeld, water opgesloten in een nanobel vertoont een tienvoudige afname van zijn diëlektrische constante en etst het diamantoppervlak, iets wat het onder normale omstandigheden nooit zou doen. Argon, dat meestal in vloeibare vorm bestaat wanneer het in grote hoeveelheden is, kan bij dezelfde druk vast worden als het wordt opgesloten in zeer kleine nanobellen met een straal van minder dan 50 nanometer.

Wetenschappers onder leiding van professor Iskander Akhatov van het Skoltech Center for Design, Manufacturing and Materials (CDMM) bouwde een universeel numeriek model van een nanobel die helpt de vorm van de bel te voorspellen onder bepaalde thermodynamische omstandigheden en de moleculaire structuur te beschrijven van de stof die erin zit.

"In praktische zin de bubbels in de van der Waals-structuren worden meestal beschouwd als gebreken waar onderzoekers graag vanaf willen. Echter, vanuit het oogpunt van straintronics, de bubbels veroorzaken spanning, en het effect ervan op de elektronische structuur kan worden gebruikt om praktische apparaten te maken, zoals transistoren, logische elementen en ROM, "Petr Zhilyaev, een senior onderzoeker bij Skoltech, zei.

"In ons recente onderzoek we hebben een model gemaakt dat een specifieke vorm beschrijft die platte nanobellen alleen in het subnanometer-afmetingsbereik aannemen. We ontdekten dat de verticale grootte van deze nanostructuren alleen discrete waarden kan aannemen die deelbaar zijn door de grootte van de opgesloten moleculen. In aanvulling, het model maakt het mogelijk om de grootte van nanobellen te veranderen door de temperatuur van het systeem en de fysisch-chemische parameters van de materialen te regelen, ", zei senior onderzoekswetenschapper Timur Aslyamov.