Wetenschap
Onderzoekers bereiken een energiezuinige synthese van bulk-Van der Waals-materialen
Onderzoekers hebben bulk-van der Waals (vdW)-materialen gesynthetiseerd bij bijna kamertemperatuur (variërend van kamertemperatuur tot 60°C), waardoor het energieverbruik dat nodig is voor de fabricage ervan aanzienlijk is verminderd met minstens één orde van grootte.
Bulk vdW-materialen zijn een belangrijk aandachtspunt van onderzoek omdat ze bij elkaar worden gehouden door zwakke vdW-krachten in plaats van sterke covalente of metaalbindingen. Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Materials .
Voorheen konden bulk vdW-materialen, zoals grafiet en hexagonaal boornitride, alleen bij zeer hoge temperaturen (>1.000°C) worden gesynthetiseerd. In deze studie werden de deeltjes, in plaats van het direct sinteren van grafiet- of boornitridedeeltjes bij zulke hoge temperaturen, geëxfolieerd tot tweedimensionale (2D) nanosheets met een zeer laag energieverbruik. Vervolgens werd een gietproces bij 45°C (of zelfs bij kamertemperatuur) toegepast om deze nanosheets om te zetten in mechanisch robuuste bulk vdW-materialen.
De methode is van toepassing op een breed scala aan 2D-materialen, waaronder MXene en overgangsmetaaldichalcogeniden. De lage fabricagetemperatuur maakt ook oppervlakte-inprenting en in-situ vormgeving mogelijk, wat een uitdaging is bij sinteren bij hoge temperaturen vanwege thermische geïnduceerde krimp en uitzetting. Bovendien vergemakkelijken de additiefvrije vdW-materialen toepassingen bij hoge temperaturen waar 2D-materiaalgebaseerde polymere composieten falen.
Dit resultaat komt vooral voort uit de vdW-interactie, waardoor de vervaardigde bulkmaterialen een hoge mechanische sterkte krijgen. Voor het activeren van de vdW-interactie zijn geen hoge temperaturen nodig, maar eerder nanometer- of sub-nanometercontact tussen aangrenzende nanosheets. Door de dunheid en flexibiliteit van de 2D-nanosheets zijn ze gemakkelijk beweegbaar en vervormbaar, waardoor intieme contactvorming wordt vergemakkelijkt.
Bovendien ontdekten de onderzoekers dat water dat op de nanosheets wordt geadsorbeerd een krachtig ‘sinterhulpmiddel’ is dat de nanosheets smeert voor een goede uitlijning. Het opgesloten water desorbeert vervolgens uit de nanosheets en ontsnapt uit het materiaal dankzij het nano-opsluitingseffect, dat het capillair sluit, waardoor de vdW-interactie wordt geactiveerd en dit resulteert in een verdicht, sterk bulk-vdW-materiaal.
"Dit proces vereenvoudigt de fabricage en vermindert het hoge energieverbruik dat gepaard gaat met de bulkproductie van vdW-materialen, wat schaalbaarheid biedt, en het zou ook innovatieve benaderingen voor het ontwerp van vdW-materialen kunnen introduceren, zoals het hybridiseren van verschillende 2D-materialen, met name die welke instabiel zijn bij hoge verwerkingstemperaturen," zei Prof. Su Yang, onderzoeker aan de Shenzhen International Graduate School van Tsinghua University (SIAT) en corresponderend auteur van het artikel.
"Deze studie suggereert de revolutie in traditionele materiaalverwerkingsmethoden door het gebruik van nanomaterialen", zegt prof. Cheng Huiming van SIAT.
Het team bestaat uit onderzoekers van SIAT van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS), de Shenzhen International Graduate School van Tsinghua University, het Institute of Metal Research van CAS en de University of Science and Technology of China van CAS.