Ultrasnelle laserspectroscopie maakt het mogelijk om de beweging van atomen te observeren op hun natuurlijke tijdschalen in het bereik van femtoseconden, de miljoenste van een miljardste van een seconde. Elektronenmicroscopie, anderzijds, biedt atomaire ruimtelijke resolutie. Door elektronen en fotonen te combineren in één instrument, de groep van professor Peter Baum aan de Universiteit van Konstanz heeft enkele van de snelste elektronenmicroscopen ontwikkeld voor het verkrijgen van gedetailleerd inzicht in materialen en hun dynamiek met ultieme resoluties in zowel ruimte als tijd.

In hun recente publicatie in ACS Nano , wetenschappers van het Baum-lab hebben deze techniek samen met collega's van ETH Zürich toegepast om nieuwe materialen te bestuderen - tweedimensionale moleculair gedefinieerde platen genaamd MXenes - en deden een verrassende ontdekking. Met behulp van laserpulsen, MXenes kunnen herhaaldelijk worden geschakeld tussen een platte en een gegolfde vorm, het openen van een breed spectrum van mogelijke toepassingen.

MXenes:nieuwe tweedimensionale materialen

MXenen zijn tweedimensionale platen van overgangsmetaalcarbiden of nitriden in de vorm van enkele atomen dikke enkele lagen. "MXenen zijn vergelijkbaar met een molecuul in één ruimtelijke dimensie en met een uitgebreide vaste stof in de andere twee, "Dr. Michail Volkov, eerste auteur van de recente studie, beschrijft de structuur van MXenes. MXenen worden gesynthetiseerd door de dunne lagen materiaal van een voorlopermateriaal te "afpellen", een proces dat exfoliatie wordt genoemd.

In tegenstelling tot de meeste andere enkellaagse materialen, MXenen kunnen gemakkelijk in grote hoeveelheden worden geproduceerd, dankzij de ontdekking van een schaalbare en onomkeerbare chemische exfoliatiemethode. De chemische en fysische eigenschappen van MXenes kunnen op grote schaal worden afgestemd door de keuze van het overgangsmetaal, wat leidt tot wijdverbreide toepassingen van MXenes in detectie, energie opslag, licht oogsten, en antibacteriële werking.

Nanogolven in MXenes gevormd door snel licht

In hun studie hebben primaire onderzoekers Dr. Mikhail Volkov van de Universiteit van Konstanz en Dr. Elena Willinger van ETH Zürich hebben een nieuwe manier gevonden om de eigenschappen van MXenes te verbeteren door er snelle lichtpulsen op te laten schijnen. Met behulp van ultrasnelle elektronenmicroscopie met atomaire ruimtelijke resolutie, ze hebben een film opgenomen van MXenen die interageren met femtoseconde laserpulsen, waaruit blijkt dat de laserenergie wordt overgedragen naar het atoomrooster in een recordtijd van slechts 230 femtoseconden.

Onverwacht, de wetenschappers ontdekten ook dat femtoseconde laserlicht kan worden gebruikt om heen en weer te schakelen tussen de oorspronkelijk vlakke oppervlaktestructuur van de MXene en een nanogolfvorm van het materiaal - een heuvel-en-dal "nano-landschap" met een periodiciteit die is meer dan vijftig keer fijner dan de lasergolflengte. "We kunnen de oriëntatie van de nanogolf regelen met de polarisatie van de laser, wat betekent dat het materiaal een optisch geheugen heeft op nanoschaal.

Bovendien, als de laser opnieuw toeslaat, de nano-gegolfde MXene verandert terug in een vlak en blijft plat tijdens verlichting. De extreem kleine omvang van de nanogolven en de snelle roosterreactie zijn ook behoorlijk verrassend, en een fenomeen genaamd plasmon-fonon koppeling is waarschijnlijk betrokken, ", legt Volkov uit.

Nanogolven verbeteren de materiaalprestaties

"Nanostructurering in de vorm van golven verhoogt ook de oppervlakte-tot-volumeverhouding van de materialen, waardoor ze chemisch reactiever worden. In aanvulling, het versterkt de lokale elektromagnetische velden, het verbeteren van de koppeling met licht - een waardevolle eigenschap voor detectietoepassingen, ", zegt Volkov. De wetenschappers verwachten daarom dat de ontdekte nano-gegolfde MXenen een verbeterde energieopslagcapaciteit en verbeterde katalytische of antibiotische activiteit zullen vertonen. "Tot slot, de mogelijkheid om de structuur van MXenes te wisselen tussen vlak en golvend 'on demand' via een laserpuls opent intrigerende manieren om de materialen te gebruiken in actief plasmonisch, chemische en elektrische apparaten, ’ concludeert Volkov.