Wetenschap
Tweedimensionaal nanomateriaal vestigt een expansierecord
Het is een veel voorkomende hack om een ballon uit te rekken om hem gemakkelijker op te blazen. Wanneer de ballon uitrekt, krimpt de breedte kruislings tot de grootte van een touwtje. Noah Stocek, een Ph.D. student die samenwerkt met de westerse natuurkundige Giovanni Fanchini, heeft een nieuw nanomateriaal ontwikkeld dat het tegenovergestelde van dit fenomeen aantoont.
Stocek en Fanchini werkten bij Interface Science Western, de thuisbasis van de Tandetron Accelerator Facility, en formuleerden tweedimensionale nanosheets van wolfraam semi-carbide (of W2 C, een chemische verbinding die gelijke delen wolfraam- en koolstofatomen bevat), die, wanneer ze in één richting worden uitgerekt, loodrecht op de uitgeoefende kracht uitzetten. Dit structurele ontwerp staat bekend als auxetica.
De truc is dat de structuur van het nanoblad zelf niet vlak is. De atomen in het vel zijn gemaakt van zich herhalende eenheden bestaande uit twee wolfraamatomen voor elk koolstofatoom, die metaforisch zijn gerangschikt als het kuiltjesoppervlak van een eierdoos. Terwijl er in de ene richting spanning wordt uitgeoefend op het elastische nanoblad, zet het uit in de andere dimensie naarmate de kuiltjes platter worden.
Vóór deze innovatie was er slechts één materiaal gerapporteerd dat op deze contra-intuïtieve manier met 10% per lengte-eenheid kon uitzetten. Het door het Westen ontwikkelde semi-carbide nanoblad van wolfraam kan tot 40% uitzetten, een nieuw wereldrecord.
"We waren specifiek op zoek naar een tweedimensionaal nanomateriaal uit wolfraam-semi-carbide", zegt Stocek. "In 2018 voorspelden theoretici dat het dit gedrag op een uitstekend niveau zou kunnen vertonen, maar niemand was erin geslaagd het te ontwikkelen, ondanks uitgebreide pogingen van onderzoeksgroepen over de hele wereld."
Het was niet mogelijk om het nieuwe wolfraam semi-carbide nanomateriaal met chemische middelen te construeren, dus vertrouwden Stocek en Fanchini op plasmafysica om de lagen met één atoom te vormen. Plasma is gemaakt van geladen deeltjes van atomen en is de vierde toestand van materie (met vast, vloeibaar en gas). Plasma kan in de natuur worden waargenomen in het noorderlicht, of Aurora Borealis, en de corona van de zon tijdens de recente zonsverduistering. Het wordt ook gebruikt in neonverlichting, TL-buizen en flatscreen-tv's.
Meestal bestaat het instrumentarium dat wordt gebruikt om tweedimensionale nanomaterialen te maken uit speciale ovens waarin gassen worden verwarmd tot een temperatuur die hoog genoeg is om te reageren en de gewenste stof chemisch te vormen. Deze aanpak werkte eenvoudigweg niet omdat elke chemische reactie, het meest voorkomende proces, zou leiden tot een product dat verschilt van het gewenste nanomateriaal.
"Dat is waar de meeste onderzoekers die dit materiaal vóór ons probeerden te verkrijgen, vastliepen, dus moesten we omkeren", zei Fanchini.
In plaats van een gas gemaakt van wolfraam- en koolstofatomen in ovens te verwarmen, wat neutrale deeltjes zou produceren zoals je zou krijgen voor vaste stoffen, vloeistoffen of gassen, ontwierpen Stocek en Fanchini een nieuw op maat gemaakt instrumentarium dat een plasma produceert, dat bestaat uit elektrisch geladen deeltjes.
Streng doelen
Er zijn talloze mogelijke toepassingen voor deze W2 C-nanosheets, te beginnen met een nieuw type rekstrookje. Deze in de handel verkrijgbare meters zijn een standaardmanier om de uitzetting en rek in alles te meten, van vliegtuigvleugels tot huishoudelijke leidingen.
“Stel je voor dat je wilt weten of een leiding in je huis vervormt en op een gegeven moment dreigt te barsten. Je kunt een sensor op de buis plakken die gemaakt is van dit tweedimensionale nanomateriaal en vervolgens met een computer de stroom monitoren die er doorheen gaat. Als de stroming stijgt, betekent dit dat de leiding uitzet en het risico loopt te barsten", aldus Stocek.
Het nieuwe nanomateriaal wordt zelfs elektrisch geleidender, en dat opent de deur voor eindeloze mogelijkheden om te gebruiken in zaken als sensoren of elk ander apparaat dat gebeurtenissen of veranderingen in de omgeving detecteert en de informatie naar andere elektronica stuurt. Een andere toepassing is het inbedden van het materiaal in rekbare elektronica, zoals draagbare technologie, zodat deze meer geleidbaarheid hebben.
"Normaal gesproken vertrouwen rekstrookjes erop dat wanneer je een materiaal uitrekt, het dunner wordt en je de geleidbaarheid van een materiaal verandert om stroom te geleiden", zegt Fanchini. "Met dit nieuwe nanomateriaal zou dit niet langer het geval zijn."
De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Materials Horizons .