Comprendere come i materiali si formano e si combinano tra loro è importante per progettare dispositivi migliori per la raccolta e lo stoccaggio dell'energia. Ora, i ricercatori hanno visualizzato direttamente la perdita di un singolo strato di atomi in un fotocatalizzatore creato stratificando due ossidi. Il team ha esaminato la struttura di un singolo strato e quella del composito finale, scoprendo che un piano di atomi proprio al confine del materiale è stato perso durante il processo di sintesi. Il team ha dimostrato che la superficie del materiale di partenza è instabile e può riconfigurarsi notevolmente se combinata con un secondo strato.

"Queste scoperte inaspettate aprono le porte a un modo completamente nuovo di controllare gli ossidi, " spiega l'autore principale Dr. Steven Spurgeon, Laboratorio nazionale del Pacifico nord-occidentale.

Spurgeon e i suoi colleghi del Pacific Northwest National Laboratory hanno risposto a uno strano indovinello sul comportamento di un materiale per utilizzare la luce solare e l'acqua per creare idrogeno. Il materiale subisce un riarrangiamento dinamico degli atomi mentre si forma. Questa modifica può dare origine a una struttura e proprietà dell'interfaccia impreviste. Con questa comprensione, gli scienziati possono progettare i loro metodi di sintesi per tenere conto delle dinamiche di crescita e della ristrutturazione degli atomi. I risultati potrebbero portare a un controllo più preciso delle proprietà e delle prestazioni dei materiali energetici chiave.

I progressi nella sintesi e nella caratterizzazione hanno permesso agli scienziati di fabbricare materiali in molte strutture e chimiche diverse a livello quasi del singolo atomo. Però, è ancora difficile prevedere come interagiranno due materiali, perché tra loro possono formarsi molti tipi di difetti. Poiché la struttura dei materiali controlla direttamente le loro proprietà, è importante che gli scienziati siano in grado di mettere a punto con precisione il modo in cui i materiali si formano e si connettono tra loro. In questo studio, I ricercatori del PNNL hanno esaminato l'ossido di ferro lantanio a film sottile e l'ossido di titanio di stronzio, LaFeO3 (LFO) e SrTiO3 (STO), rispettivamente, stratificati insieme per produrre un fotocatalizzatore per la scissione dell'acqua solare.

I ricercatori hanno prima trattato lo strato STO per ricoprirlo con un piano di ossido di stronzio (SrO) o un piano di biossido di titanio (TiO2), che hanno confermato utilizzando la spettroscopia fotoelettronica a raggi X. Hanno depositato uno strato LFO sopra la STO utilizzando l'epitassia del fascio molecolare e hanno ripreso la struttura risultante utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione e la spettroscopia a perdita di energia degli elettroni. Stranamente, le loro misurazioni della spettroscopia di perdita di energia degli elettroni hanno mostrato che entrambi i campioni avevano un piano di interfaccia di TiO2 e che lo strato di SrO era scomparso durante il processo di sintesi. I ricercatori hanno condotto calcoli della teoria del funzionale della densità per diverse configurazioni atomiche dell'interfaccia, scoprendo che lo strato di SrO era meno stabile del TiO2 e che poteva essere perso formando vuoti di ossigeno. Questo studio illustra come i materiali si formano attraverso percorsi cinetici complessi e che sfruttando il riarrangiamento strutturale dinamico, potrebbe essere possibile creare nuovi, materiali e proprietà mai visti prima.