Dalla sua scoperta nel 2004, il grafene, un materiale atomicamente sottile con una forza e proprietà elettriche sorprendenti, ha ispirato scienziati di tutto il mondo a progettare nuovi materiali 2-D per servire un'ampia gamma di applicazioni, dalle energie rinnovabili e catalizzatori alla microelettronica.

Mentre le strutture 2-D si formano naturalmente in materiali come il grafene, alcuni scienziati hanno cercato di realizzare materiali 2-D da semiconduttori chiamati ossidi di metalli di transizione:composti composti da atomi di ossigeno legati a un metallo di transizione come il cobalto. Ma mentre gli scienziati sanno da tempo come produrre nanoparticelle di ossidi di metalli di transizione, nessuno ha trovato un modo controllabile per far crescere queste nanoparticelle 3D in nanofogli, che sono sottili materiali 2-D spessi solo pochi atomi.

Ora, un team di scienziati guidati dal Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia ha acquisito preziose informazioni sul "margine" naturale delle nanoparticelle di ossido di metallo di transizione 3D per la crescita 2D. I loro risultati sono stati riportati in Materiali della natura .

Utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione in fase liquida (TEM) presso la fonderia molecolare del Berkeley Lab per gli esperimenti, L'autore corrispondente Haimei Zheng e il suo team hanno osservato direttamente la crescita dinamica delle nanoparticelle di ossido di cobalto in una soluzione, e la loro successiva trasformazione in un nanofoglio piatto 2-D.

"Una tale trasformazione da 3D a 2D è molto simile al bianco di un uovo che si diffonde mentre frigge in padella, " ha detto Zheng, uno scienziato senior dello staff della divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab che ha guidato lo studio.

Negli studi precedenti, gli scienziati avevano ipotizzato che solo due fattori principali:l'energia di massa dal volume delle nanoparticelle, e l'energia superficiale delle nanoparticelle, guiderebbe la crescita delle nanoparticelle in una forma 3D, Zheng ha spiegato.

Nuova energia viene alla luce

Ma i calcoli condotti dall'autore corrispondente Lin-Wang Wang hanno rivelato un'altra energia che era stata precedentemente trascurata:l'energia di bordo. In una sfaccettata, nanoparticella rettangolare come una nanoparticella di ossido di metallo di transizione, anche il bordo di una sfaccettatura contribuisce con energia, in questo caso, energia positiva, verso la crescita e la forma della nanoparticella. Ma affinché una nanoparticella di ossido di metallo di transizione cresca in un nanofoglio 2-D, l'energia superficiale deve essere negativa.

"Ed è l'equilibrio tra queste due energie, uno negativo e uno positivo, che determina il cambio di forma, " ha detto Wang. Per le nanoparticelle più piccole, l'energia del bordo positivo vince, che porta a una forma tridimensionale compatta. Ma quando le nanoparticelle di ossido di cobalto diventano più grandi, alla fine raggiungono un punto critico in cui vince l'energia superficiale negativa, risultando in un nanofoglio 2-D, Lui ha spiegato. Wang, uno scienziato senior dello staff della divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, ha eseguito i calcoli per lo studio sui supercomputer presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Berkeley Lab.

Scoprendo questi percorsi di crescita, compresa la transizione da 3D a 2D, Zheng ha aggiunto, offre nuove opportunità per la progettazione aerodinamica di nuovi materiali esotici da composti le cui strutture atomiche irregolari, come ossidi di metalli di transizione, sono più difficili del grafene da sintetizzare in dispositivi 2-D multistrato.

Zheng e il suo team hanno concluso che lo studio non sarebbe stato possibile con un microscopio elettronico convenzionale. Utilizzando TEM in fase liquida presso la Fonderia Molecolare, i ricercatori sono stati in grado di studiare la crescita di materiali atomicamente sottili in soluzione incapsulando il campione liquido in una cella liquida appositamente progettata. La cella ha impedito al campione di collassare nell'alto vuoto del microscopio elettronico.

"Sarebbe impossibile conoscere un tale percorso di crescita senza questa osservazione in situ, " ha detto il primo autore Juan Yang, che era un ricercatore di dottorato in visita presso il Berkeley Lab della Dalian University of Technology of China al momento dello studio. "Questa scoperta può trasformare il nostro futuro design di materiali con proprietà di superficie migliorate per applicazioni di catalisi e rilevamento del futuro".

Prossimi passi

I ricercatori hanno in programma di concentrarsi sull'utilizzo di TEM a celle liquide per coltivare materiali 2-D più complessi come eterostrutture, che sono come sandwich di materiali stratificati con proprietà diverse.

"Come un architetto che si ispira al modo in cui è cresciuta un'antica sequoia gigante, gli scienziati dei materiali sono ispirati a progettare strutture sempre più complesse per lo stoccaggio di energia, " ha detto Zheng, che ha aperto la strada alla tecnologia TEM a celle liquide al Berkeley Lab nel 2009. "Ma perché crescono in questo modo? La nostra forza al Berkeley Lab è che possiamo studiarli a livello atomico e osservarli crescere in tempo reale e capire i meccanismi che contribuire alla progettazione di materiali migliori."