Een verkennend onderzoek naar het gedrag van materialen met gewenste elektrische eigenschappen heeft geleid tot de ontdekking van een structurele fase van tweedimensionale (2D) materialen. De nieuwe familie van materialen zijn de elektroden, waarbij elektronen een ruimte innemen die gewoonlijk is gereserveerd voor atomen of ionen in plaats van om de kern van een atoom of ion te draaien. De stal, weinig energie, afstembare materialen kunnen potentiële toepassingen hebben in nanotechnologieën.

Het internationale onderzoeksteam, onder leiding van Hannes Raebiger, universitair hoofddocent bij de afdeling Natuurkunde aan de Yokohama National University in Japan, publiceerden hun resultaten op 10 juni als frontispice in Geavanceerde functionele materialen .

aanvankelijk, het team ging op zoek naar een beter begrip van de fundamentele eigenschappen van een 2D-systeem dat bekend staat als Sc ₂ CO ₂ . Met twee atomen van metallisch scandium, één atoom koolstof en twee atomen zuurstof, het systeem behoort tot een familie van chemische verbindingen die gezamenlijk MXenes worden genoemd. Ze zijn meestal samengesteld uit een koolstof- of stikstoflaag van één atoom dik, ingeklemd tussen metalen lagen, bezaaid met zuurstof- of fluoratomen.

De onderzoekers waren vooral geïnteresseerd in MXene Sc ₂ CO ₂ vanwege de voorspellingen dat wanneer gestructureerd in een zeshoekige fase, het systeem zou gewenste elektrische eigenschappen hebben.

"Ondanks deze fascinerende voorspellingen van zeshoekige fasen van Sc ₂ CO ₂ , we zijn ons nog niet bewust van de succesvolle fabricage ervan, " zei Soungmin Bae, eerste auteur en onderzoeker bij de afdeling Natuurkunde aan de Yokohama National University. "Het analyseren van de fundamentele eigenschappen, we ontdekten een volledig nieuwe structurele fase."

De nieuwe bouwfase resulteert in nieuwe elektrodematerialen. De atomaire dunne 2D-structuurfase wordt beschreven als betegelde vormen die het centrale koolstofvlak vormen. De eerder voorspelde vorm was een zeshoek, met een koolstofatoom op elk hoekpunt en één in het midden. De nieuwe materialen hebben een ruitachtige vorm, met elektronen op de hoekpunten en een koolstoftrimeer - drie koolstofatomen op een rij - in het midden.

"Koolstof is een van de meest voorkomende materialen op onze planeet, en heel belangrijk voor levende wezens, maar het wordt bijna nooit gevonden als trimeren, " zei Raebiger. "De dichtstbijzijnde plaats waar koolstoftrimeren typisch worden gevonden, is de interstellaire ruimte."

De algehele vorm is minder symmetrisch dan de eerder beschreven zeshoekige structuur, maar het is meer symmetrisch met betrekking tot het centrale vlak. Deze structuur biedt unieke kenmerken door het verschijnen van de nieuwe familie van elektroden, volgens Raebiger.

"Elektriden bevatten elektronen als structurele eenheid en zijn vaak extreem goede elektrische geleiders, " zei Raebiger. "De huidige familie van elektroden zijn isolatoren, en hoewel de meeste isolatoren geleidend kunnen worden gemaakt door elektronen toe te voegen of te verwijderen, deze materialen worden gewoon meer isolerend."

MXenen zijn bijzonder aantrekkelijk als materiaal, omdat ze opnieuw kunnen worden geconfigureerd met andere metalen elementen om een ​​overvloed aan eigenschappen te bieden, inclusief afstembare geleidbaarheid, verschillende vormen van magnetisme, en/of versnellen van chemische reacties als katalysatoren. Daar bovenop, het zijn ultradunne platen van slechts enkele atomen dik, dat is, 2D materialen. De nieuw ontdekte elektroden hebben elektronen in roosterholten tussen atomen en ionen, die gemakkelijk kunnen worden uitgestoten in de omringende ruimte, zoals de elektronenbronnen voor grote deeltjesversnellers, evenals worden geleend om een ​​specifiek gewenste chemische reactie te katalyseren.

"We hebben deze ontdekking gedaan omdat we wilden begrijpen hoe deze materialen beter werken, " zei Bae. "Als je iets tegenkomt dat je niet begrijpt, Graaf dieper."

Co-auteurs zijn onder meer William Espinosa-García en Gustavo M. Dalpian, Centro de Ciências Naturais e Humanas, Universidade Federal do ABC, Brazilië; Yoon-Gu Kang en Myung Joon Han, Afdeling Natuurkunde, Korea Geavanceerd Instituut voor Wetenschap en Technologie; Juho Lee en Yong-Hoon Kim, Afdeling Elektrotechniek, Korea Geavanceerd Instituut voor Wetenschap en Technologie; Noriyuki Egawa, Kazuaki Kuwahata en Kaoru Ohno, Afdeling Natuurkunde aan de Yokohama National University; en Mohammad Khazaei en Hideo Hosono, Materiaalonderzoekscentrum voor Elementstrategie, Tokio Instituut voor Technologie. Espinosa-García is ook aangesloten bij Grupo de investigación en Modelamienot y Simulación Computacional, Facultad de Ingenierías, Universidad de San Buenaventura-Medellín.