Proprio come la clonazione in biologia consente la creazione di una o più repliche degli stessi geni, la crescita con semi in chimica può produrre una lamina metallica molto grande con la stessa identica struttura superficiale di quella con semi. La crescita dei semi è molto popolare nella sintesi di cristalli singoli tridimensionali (3-D):i cristalli 3-D vengono sempre coltivati ​​nelle stesse forme, proprio come i sali sono invariabilmente singoli cristalli cubici.

Nel frattempo, fogli/film molto sottili possono crescere in diversi tipi a seconda delle strutture superficiali. Come tale, le applicazioni possono variare. Grandi sforzi sono stati dedicati alla sintesi di lamine metalliche monocristalline in quanto hanno molte importanti applicazioni, come (i) un substrato per supportare la sintesi di vari materiali bidimensionali (2-D), (ii) ingegnerizzare le proprietà del materiale depositato su di esso, (iii) consentendo la catalisi selettiva, e (iv) fabbricazione di fili metallici con conduttività elettrica e termica ottimizzate. Nonostante tali possibilità, la crescita seminata è stata raramente applicata per coltivare film sottili a causa della mancanza di conoscenza su come controllare il processo di crescita.

Il gruppo del Prof. Feng Ding del Center for Multidimensional Carbon Materials, all'interno dell'Istituto per le Scienze di Base (IBS, Corea del Sud), in collaborazione con il gruppo del Prof. Kaihui Liu e il gruppo del Prof. Enge Wang dell'Università di Pechino, così come il gruppo del Prof. Dapeng Yu della Southern University of Science and Technology, riportato come dare variazioni a lamine metalliche monocristalline. Attraverso la ricottura guidata dall'ossidazione più la strategia di crescita seminata, il team di ricerca ha ottenuto più di 30 tipi di fogli di rame delle dimensioni di un foglio A4 (~30×21 cm ² ), che ha all'incirca le stesse dimensioni di quello legale negli Stati Uniti.

Il team di ricerca ha esplorato fogli di rame, uno dei substrati più popolari per supportare la crescita di grafene e altri materiali 2-D. Sebbene abbiano ottenuto fogli di rame (Cu) a cristallo singolo nel loro studio precedente ( Bollettino Scientifico , 2017, 62, 1074-1080), erano per lo più Cu (111), la cui superficie è ultrapiatta e quindi meno attiva rispetto a quelle con bordi a gradini e pieghe. Attraverso calcoli teorici, il gruppo di ricerca ha concluso che il Cu (111) tende a formarsi più facilmente rispetto ad altri tipi, poiché la superficie Cu (111) ha l'energia superficiale più bassa e quindi è la struttura più favorevole in natura. Questo ragionamento li ha portati a regolare l'energia superficiale delle lamine di Cu per ottenere lamine di metallo a cristallo singolo con i tipi di superficie desiderati.

Il team di ricerca ha ritagliato il "gene" di un piccolo foglio singolo cristallino e "incollato" il seme (gene) per creare fogli di Cu molto grandi con la stessa identica struttura superficiale di quella ereditata. Per ottenere semi metallici monocristallini con varie strutture superficiali, i fogli di Cu policristallino sono stati prima ossidati e poi ricotti ad alta temperatura (1020 °C), che è vicino al punto di fusione di Cu, per diverse ore. Quando il Cu è stato ossidato, sia la sua superficie superiore che quella inferiore erano ricoperte da uno strato di ossido di rame (CuxO). Poiché la superficie del Cu puro scompare a causa dell'ossidazione, le due superfici di un foglio di Cu sono state trasformate in due interfacce Cu-CuxO dopo preossidazione. Questa alterazione ha cambiato la forza trainante della ricottura dall'energia di superficie all'energia di interfaccia. "Abbiamo dimostrato che, a differenza di quella delle energie di superficie, le differenze delle energie di interfaccia dei diversi fogli di Cu sono trascurabili, quindi le lamine di Cu policristallino possono essere ricotte in molti tipi diversi di cristalli singoli in modo casuale." spiega il professor Feng Ding, il corrispondente autore dello studio.

Un piccolo pezzo di lamina è stato quindi tagliato da una grande lamina a cristallo singolo con una struttura superficiale desiderata come seme per la produzione di massa. Il team di ricerca ha scoperto che la ricottura di un grande foglio di Cu policristallino con un tale seme porterà a un grande foglio di Cu monocristallino con la stessa identica struttura superficiale (Figura 2, Fase 2).

Grandi sforzi teorici e sperimentali sono stati dedicati alla comprensione di come si fossero formati questi fogli di Cu monocristallino durante la ricottura. Tale processo può essere compreso in due fasi. Primo, la struttura superficiale del seme è stata copiata nella parte inferiore della grande lamina di Cu policristallino e ha formato un grano anomalo (un grano che è molto più grande degli altri e ha il vantaggio di crescere ulteriormente) con una struttura superficiale specifica. Secondo, la crescita della grana anormale si traduce infine in una lamina di Cu monocristallo molto grande con la struttura superficiale designata.

Da centinaia di esperimenti di ricottura, il team di ricerca ha ottenuto una libreria di singoli fogli di Cu cristallino con più di 30 tipi di diverse strutture superficiali, come mostrato in Figura 3. Le dimensioni dei fogli di Cu monocristallino ottenuti hanno raggiunto 39 * 21 cm ² , che era limitato dalle dimensioni del forno di ricottura.

Oltre ai fogli di Cu, i ricercatori hanno dimostrato che questa strategia di crescita seminata può essere applicata per fabbricare fogli di cristallo singolo di grandi aree di altri metalli, suggerendo che nel prossimo futuro potrebbero essere disponibili vari tipi di fogli monocristallini della maggior parte dei metalli. "Questo risultato dimostra un metodo pratico per la sintesi scalabile di fogli di cristallo singolo di metalli di transizione estremamente grandi con diversi tipi di superficie, che è stato a lungo desiderato sia per la scienza fondamentale che per le applicazioni ingegneristiche. Il nostro successo apre molte possibilità, tali da utilizzare metalli monocristallini come canali conduttori in micro-dispositivi; utilizzare questi fogli di metallo a cristallo singolo come modelli per la sintesi controllabile di vari materiali bidimensionali; coltivare modelli molecolari di grandi aree con lamine metalliche selezionate; e catalizzare selettivamente reazioni chimiche su una superficie di lamina con una struttura specifica, " nota il professor Kaihui Liu.

Il team di ricerca mirerà successivamente a comprendere il meccanismo di questa semina e crescita di semi provocata dall'ossidazione a livello atomico. Continueranno gli sforzi sperimentali per sintetizzare vari tipi di fogli metallici monocristallini di diversi metalli o leghe metalliche, oltre a esplorare ampie applicazioni di queste pellicole.

Lo studio è pubblicato su Natura .