Wetenschappers van het Ames Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy en hun medewerkers van de Iowa State University hebben een nieuwe benadering ontwikkeld voor het genereren van gelaagde, moeilijk te combineren, heterogestructureerde vaste stoffen. Heterogestructureerde materialen, samengesteld uit lagen van ongelijke bouwstenen die unieke elektronische transport- en magnetische eigenschappen vertonen die worden bepaald door kwantuminteracties tussen hun structureel verschillende bouwstenen, en nieuwe wegen openen voor elektronische en energietoepassingen.

De techniek om ze te maken is eenvoudig, en contra-intuïtief - het houdt in dat de ongerepte materialen worden vernietigd om nieuwe te bouwen. Mechanochemie genoemd, de techniek maakt gebruik van kogelfrezen om structureel onevenredige vaste stoffen uit elkaar te halen - degenen die geen overeenkomende atomaire rangschikkingen hebben - en ze opnieuw samen te stellen in unieke driedimensionale (3-D) "misfit" hetero-assemblages. Dingen samenvoegen door te frezen lijkt de minst plausibele manier om atomaire ordening te bereiken, maar het bleek succesvoller dan de wetenschappers zelf hadden gedacht.

"Een collega van mij merkte op dat onze ideeën naïef of briljant zouden zijn, " zei Viktor Balema, Ames Laboratorium Senior wetenschapper. "Enige tijd geleden ontdekten we stochastische herschikking van gelaagde metalen dichalcogeniden (TMDC's) in 3D hetero-assemblages tijdens mechanisch frezen. Het kwam als een complete verrassing voor ons en wekte onze nieuwsgierigheid naar de mogelijkheid van atomaire ordening door middel van mechanochemische verwerking."

Metaalchalcogeniden zijn vaak uniek in hun eigenschappen en toepassingen. Ze kunnen opmerkelijk elektronentransportgedrag vertonen, variërend van volledig gebrek aan elektrische geleidbaarheid tot supergeleiding, foto- en thermo-elektrische eigenschappen, mechanische buigzaamheid en, vooral, het vermogen om stabiele tweedimensionale monolagen te vormen, driedimensionale heterostructuren, en andere kwantummaterialen op nanoschaal.

"Nanostructuren van misfit layered compounds (MLC) in de vorm van nanobuisjes, nanofilms (ferkristallen) en geëxfolieerde platen worden al meer dan tien jaar onderzocht en bieden een rijk onderzoeksgebied en mogelijk ook opwindende toepassingen in hernieuwbare energie, katalyse en opto-elektronica, " zei Reshef Tenne van het Weizmann Institute of Science, Israël, en een expert in nanostructuursynthese. "Een obstakel voor hun grootschalige toepassing zijn de hoge temperatuur en langdurige groeiprocessen, die onbetaalbaar zijn voor grootschalige toepassingen. Het mechanochemische proces ontwikkeld door de Balema-groep van Ames Lab, naast wetenschappelijk stimulerend, brengt ons een stap dichter bij het realiseren van nuchtere toepassingen voor deze intrigerende materialen."

Typisch, deze complexe materialen, vooral die met de meest ongewone structuren en eigenschappen, worden gemaakt met behulp van twee verschillende synthetische benaderingen. De eerste, bekend als top-down synthese, maakt gebruik van tweedimensionale (2-D) bouwstenen om ze samen te stellen, gebruik van additieve fabricagetechnieken. De tweede benadering, algemeen gedefinieerd als bottom-up synthese, maakt gebruik van stapsgewijze chemische reacties waarbij pure elementen of kleine moleculen betrokken zijn die individuele monolagen op elkaar afzetten. Beide zijn nauwgezet en hebben andere nadelen, zoals slechte schaalbaarheid voor gebruik in real-world toepassingen.

Het Ames Laboratory-team combineerde deze twee methoden in één mechanochemisch proces dat tegelijkertijd exfolieert, desintegreert en recombineert uitgangsmaterialen tot nieuwe heterostructuren, ook al passen hun kristalstructuren niet goed bij elkaar (d.w.z. misfit). Theoretische (DFT) berekeningen, ondersteund door de resultaten van röntgendiffractie, aftasten transmissie elektronenmicroscopie, Raman-spectroscopie, elektronentransportstudies en, voor de eerste keer ooit, solid state nucleaire magnetische resonantie (NMR) experimenten, legde het mechanisme uit van de reorganisatie van voorlopermaterialen en de drijvende krachten achter de vorming van nieuwe 3D-heterostructuren tijdens mechanische verwerking.

"Solid-state NMR-spectroscopie is een ideale techniek voor de karakterisering van poedervormige materialen die worden verkregen uit mechanochemie, " zei Aaron Rossini, Ames Laboratory-wetenschapper en hoogleraar scheikunde aan de Iowa State University. "Door informatie verkregen uit NMR-spectroscopie in vaste toestand te combineren met andere karakteriseringstechnieken, kunnen we een volledig beeld krijgen van de 3D-heterostructuren."

Het onderzoek wordt verder besproken in de paper, "Ongekende generatie van 3-D-heterostructuren door mechanochemische demontage en herschikking van onevenredige metaalchalcogeniden, " geschreven door Oleksandr Dolotko, Ihor Z. Hlova, Arjun K. Pathak, Yaroslav Mudryk, Vitalij K. Pecharsky, Prashant Singh, Duane D. Johnson, Brett W. Boote, Jingzhe Li, Emily A. Smith, Scott L. Carnahan, Aaron J. Rossini, Lin Zhou, Ely M. Eastman, en Viktor P. Balema; en gepubliceerd in Natuurcommunicatie .