I ricercatori della Rice University e dell'Oak Ridge National Laboratory hanno determinato che i materiali bidimensionali cresciuti su un cono consentono di controllare dove compaiono i difetti chiamati bordi di grano. Questi difetti possono essere utilizzati per migliorare l'elettronica dei materiali, meccanico, proprietà catalitiche e ottiche. Credito:Yakobson Research Group/Rice University
I ricercatori della Rice University hanno imparato a manipolare materiali bidimensionali per progettare difetti che migliorano le proprietà dei materiali.
Il laboratorio Rice del fisico teorico Boris Yakobson e i colleghi dell'Oak Ridge National Laboratory stanno combinando teoria e sperimentazione per dimostrare che è possibile fornire difetti specifici ai materiali 2-D, in particolare le giunzioni su scala atomica chiamate bordi di grano. Questi confini possono essere utilizzati per migliorare l'elettronica dei materiali, magnetico, meccanico, proprietà catalitiche e ottiche.
La chiave è introdurre una curvatura nel paesaggio che vincola il modo in cui i difetti si propagano. I ricercatori chiamano questa "topologia del bordo del grano di inclinazione, " e lo ottengono facendo crescere i loro materiali su un substrato topograficamente curvo, in questo caso, un cono. L'angolo del cono determina se, che tipo e dove appaiono i confini.
La ricerca è oggetto di un articolo sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano .
I bordi della grana sono i bordi che appaiono in un materiale in cui i bordi si incontrano in una mancata corrispondenza. Questi confini sono una serie di difetti; Per esempio, quando due fogli di grafene esagonale si incontrano ad angolo, gli atomi di carbonio lo compensano formando anelli non esagonali (a cinque o sette membri).
Un modello teorico a sinistra, creato alla Rice University, mostra un fiocco triangolare di disolfuro di tungsteno cresciuto attorno a un cono che forza la creazione di un bordo di grano con un angolo specifico. I ricercatori di Rice hanno mostrato che la larghezza del cono potrebbe essere utilizzata per determinare il posizionamento del confine, e gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory lo hanno dimostrato quando hanno realizzato il materiale corrispondente visto nell'immagine al microscopio elettronico a destra. Credito:Rice University/Oak Ridge National Laboratory
Yakobson e il suo team hanno già dimostrato che questi confini possono essere elettronicamente significativi. Loro possono, ad esempio, trasformare il grafene perfettamente conduttore in un semiconduttore. In alcuni casi, il confine stesso può essere un filo conduttore subnanoscala o assumere proprietà magnetiche.
Ma fino ad ora i ricercatori avevano poco controllo su dove sarebbero apparsi quei confini quando si coltivava il grafene, bisolfuro di molibdeno o altri materiali 2-D mediante deposizione chimica da vapore.
La teoria sviluppata alla Rice mostrava che la crescita di materiale 2-D su un cono costringerebbe i confini ad apparire in determinati punti. La larghezza del cono controllava il posizionamento e, ma ancora più importante, l'angolo di inclinazione, un parametro cruciale nella messa a punto delle proprietà elettroniche e magnetiche dei materiali, ha detto Yakobson.
I collaboratori sperimentali di Oak Ridge guidati dal coautore David Geohegan hanno fornito prove a sostegno degli aspetti chiave della teoria. Hanno ottenuto questo risultato coltivando disolfuro di tungsteno su piccoli coni simili a quelli dei modelli computerizzati di Rice. I confini che apparivano nei materiali reali corrispondevano a quelli previsti dalla teoria.
I ricercatori della Rice University e dell'Oak Ridge National Laboratory prevedono e hanno confermato che i materiali bidimensionali cresciuti su un cono consentono di controllare dove compaiono i difetti chiamati bordi dei grani. A sinistra, un modello Rice prevede come si formerebbe un confine di grano su un cono ripido e si estenderebbe su un cono poco profondo. Gli scienziati di Oak Ridge hanno confermato la previsione quando hanno creato il materiale visto in un'immagine al microscopio elettronico a destra. Credito:Rice University/Oak Ridge National Laboratory
"La forma non planare del substrato costringe il cristallo 2-D a crescere in uno spazio 'non-euclideo' curvo, " Yakobson ha detto. "Questo ceppi il cristallo, che ogni tanto cede cedendo alle cuciture, o bordi di grano. Non è diverso dal modo in cui un sarto aggiungerebbe una cucitura a un abito o a un vestito per adattarsi a una cliente curvy".
La modellazione di coni di diverse larghezze ha anche rivelato un "cono magico" di 38,9 gradi sul quale la crescita di un materiale 2D non lascerebbe alcun confine di grano.
Il team di Rice ha esteso la sua teoria per vedere cosa sarebbe successo se i coni si fossero seduti su un aereo. Hanno predetto come si sarebbero formati i bordi dei grani sull'intera superficie, e di nuovo, Gli esperimenti di Oak Ridge hanno confermato i loro risultati.
Yakobson ha affermato che entrambi i team di Rice e Oak Ridge stavano lavorando su aspetti della ricerca in modo indipendente. "È stato lento finché non ci siamo incontrati a una conferenza in Florida un paio di anni fa e ci siamo resi conto che dovevamo continuare insieme, " ha detto. "E 'stato sicuramente gratificante vedere come gli esperimenti hanno confermato i modelli, pur offrendo a volte importanti sorprese. Ora dobbiamo fare il lavoro aggiuntivo per comprenderli anche noi".
