Gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno indotto un materiale bidimensionale a cannibalizzare se stesso per "mattoni" atomici da cui si sono formate strutture stabili.

Le scoperte, segnalato in Comunicazioni sulla natura , fornire approfondimenti che possono migliorare la progettazione di materiali 2D per dispositivi elettronici e di accumulo di energia a ricarica rapida.

"Nelle nostre condizioni sperimentali, gli atomi di titanio e carbonio possono formare spontaneamente uno strato atomicamente sottile di carburo di metallo di transizione 2-D, che non era mai stato osservato prima, " ha detto Xiahan Sang di ORNL.

Lui e Raymond Unocic di ORNL hanno guidato un team che ha eseguito esperimenti in situ utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione (STEM) all'avanguardia. combinato con simulazioni basate sulla teoria, per rivelare i dettagli atomistici del meccanismo.

"Questo studio riguarda la determinazione dei meccanismi e della cinetica a livello atomico che sono responsabili della formazione di nuove strutture di un carburo di metallo di transizione 2-D in modo che possano essere realizzati nuovi metodi di sintesi per questa classe di materiali, " ha aggiunto Unocic.

Il materiale di partenza era una ceramica 2-D chiamata MXene (pronunciato "max een"). A differenza della maggior parte delle ceramiche, Gli MXene sono buoni conduttori elettrici perché sono costituiti da strati atomici alternati di carbonio o azoto inseriti all'interno di metalli di transizione come il titanio.

La ricerca era un progetto di Fluid Interface Reactions, Centro Strutture e Trasporti (FIRST), un DOE Energy Frontier Research Center che esplora le reazioni di interfaccia fluido-solido che hanno conseguenze per il trasporto di energia nelle applicazioni quotidiane. Gli scienziati hanno condotto esperimenti per sintetizzare e caratterizzare materiali avanzati e svolgere lavori teorici e di simulazione per spiegare le proprietà strutturali e funzionali osservate dei materiali. Le nuove conoscenze dei progetti FIRST forniscono indicazioni per studi futuri.

Il materiale di alta qualità utilizzato in questi esperimenti è stato sintetizzato dagli scienziati della Drexel University, sotto forma di fiocchi monostrato monocristallino a cinque strati di MXene. I fiocchi sono stati presi da un cristallo genitore chiamato "MAX, " che contiene un metallo di transizione indicato con "M"; un elemento come alluminio o silicio, indicato con "A"; e un atomo di carbonio o di azoto, indicato con "X." I ricercatori hanno utilizzato una soluzione acida per incidere gli strati di alluminio monoatomici, esfoliare il materiale e delaminarlo in singoli monostrati di un carburo di titanio MXene (Ti3C2).

Gli scienziati dell'ORNL hanno sospeso un grande fiocco di MXene su un chip di riscaldamento con fori praticati in modo che nessun materiale di supporto, o substrato, interferito con il fiocco. Sotto vuoto, il fiocco sospeso è stato esposto al calore e irradiato con un fascio di elettroni per pulire la superficie del MXene ed esporre completamente lo strato di atomi di titanio.

Gli MXeni sono tipicamente inerti perché le loro superfici sono ricoperte da gruppi funzionali protettivi:ossigeno, atomi di idrogeno e fluoro che rimangono dopo l'esfoliazione acida. Dopo che i gruppi protettivi sono stati rimossi, il materiale rimanente si attiva. Difetti su scala atomica - "vacanze" create quando gli atomi di titanio vengono rimossi durante l'incisione - sono esposti sullo strato esterno del monostrato. "Questi posti vacanti atomici sono buoni siti di iniziazione, " Ha detto Sang. "È favorevole che gli atomi di titanio e carbonio si spostino dai siti difettosi alla superficie." In un'area con un difetto, un poro può formarsi quando gli atomi migrano.

"Una volta che quei gruppi funzionali sono spariti, ora ti rimane uno strato di titanio nudo (e sotto, carbonio alternato, titanio, carbonio, titanio) che è libero di ricostruire e formare nuove strutture su strutture esistenti, " ha detto Sang.

L'imaging STEM ad alta risoluzione ha dimostrato che gli atomi si spostavano da una parte all'altra del materiale per costruire strutture. Poiché il materiale si autoalimenta, il meccanismo di crescita è cannibale.

"Il meccanismo di crescita è completamente supportato dalla teoria del funzionale della densità e dalle simulazioni di dinamica molecolare reattiva, aprendo così future possibilità di utilizzare questi strumenti teorici per determinare i parametri sperimentali necessari per sintetizzare strutture di difetti specifici, ", ha detto Adri van Duin di Penn State.

La maggior parte delle volte, solo uno strato aggiuntivo [di carbonio e titanio] è cresciuto su una superficie. Il materiale è cambiato quando gli atomi hanno costruito nuovi strati. Ti3C2 trasformato in Ti4C3, Per esempio.

"Questi materiali sono efficienti nel trasporto ionico, che si presta bene alle applicazioni di batterie e supercondensatori, " ha detto Unocic. "Come cambia il trasporto ionico quando aggiungiamo più strati a fogli di MXene sottili nanometri?" Questa domanda potrebbe stimolare studi futuri.

"Poiché i MXeni contenenti molibdeno, niobio, vanadio, tantalio, afnio, cromo e altri metalli sono disponibili, ci sono opportunità per realizzare una varietà di nuove strutture contenenti più di tre o quattro atomi di metallo in sezione (il limite attuale per i MXeni prodotti dalle fasi MAX), " Yury Gogotsi della Drexel University ha aggiunto. "Questi materiali possono mostrare diverse proprietà utili e creare una serie di elementi costitutivi 2-D per il progresso della tecnologia".

Presso il Centro per le scienze dei materiali nanofase (CNMS) dell'ORNL, Yu Xie, Weiwei Sun e Paul Kent hanno eseguito calcoli della teoria dei primi principi per spiegare perché questi materiali sono cresciuti strato dopo strato invece di formare strutture alternative, come i quadrati. Xufan Li e Kai Xiao hanno aiutato a capire il meccanismo di crescita, che minimizza l'energia superficiale per stabilizzare le configurazioni atomiche. Gli scienziati della Penn State hanno condotto simulazioni di campi di forza reattiva dinamici su larga scala che mostrano come gli atomi si sono riorganizzati sulle superfici, confermando le strutture dei difetti e la loro evoluzione osservata negli esperimenti.

I ricercatori sperano che le nuove conoscenze aiutino altri a coltivare materiali avanzati e a generare utili strutture su nanoscala.

Il titolo dell'articolo è "Approfondimento atomistico in situ sui meccanismi di crescita dei carburi di metalli di transizione 2-D a strato singolo".