วัสดุที่เกี่ยวกับระบบนิเวศวิทยาเลี้ยงตัวเองเพื่อสร้างโครงสร้างนาโนชนิดใหม่

Anonim

นักวิทยาศาสตร์จากห้องทดลองแห่งชาติโอ๊กริดจ์ของกรมพลังงานได้สร้างวัสดุสองมิติเพื่อสร้างตัวสร้าง "โครงสร้าง" ซึ่งเป็นโครงสร้างที่มีเสถียรภาพ

ผลการวิจัยที่รายงานใน Nature Communications ได้ให้ข้อมูลเชิงลึกที่อาจปรับปรุงการออกแบบวัสดุ 2 มิติสำหรับอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ชาร์จไฟได้อย่างรวดเร็ว

"ภายใต้สภาวะการทดลองของเราอะตอมของไทเทเนี่ยมและคาร์บอนสามารถก่อตัวเป็นอะลูมิเนียมบาง ๆ ของโลหะคาร์ไบด์เปลี่ยนเป็นโลหะ 2 มิติซึ่งไม่เคยเกิดมาก่อน" Xiahan Sang จาก ORNL กล่าว

เขาและ ORNL ของเรย์มอนด์ Unocic นำทีมที่ดำเนินการทดลองในสถานที่โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแบบสเตท (STEM) ที่มีการสแกนแบบ state-of-the-art รวมกับการจำลองตามทฤษฎีเพื่อเปิดเผยรายละเอียด atomistic ของกลไก

"การศึกษานี้เป็นการประมาณกลไกระดับอะตอมและจลนพลศาสตร์ที่มีความรับผิดชอบในการสร้างโครงสร้างใหม่ของคาร์ไบด์เปลี่ยนเป็นโลหะคาร์ไบด์ 2 มิติซึ่งวิธีการสังเคราะห์แบบใหม่นี้สามารถนำมาใช้กับวัสดุประเภทนี้ได้" นายอูโนคกล่าวเสริม

วัสดุเริ่มต้นคือเซรามิค 2 มิติเรียกว่า MXene (ออกเสียงว่า "max een") ไม่เหมือนเครื่องเซรามิกส่วนใหญ่ MXenes เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีเพราะทำมาจากการสลับชั้นอะตอมของคาร์บอนหรือไนโตรเจนที่คั่นไว้ในโลหะที่เปลี่ยนผ่านเช่นไททาเนียม

งานวิจัยนี้เป็นโครงการศูนย์ข้อมูลการขนส่งและสิ่งปลูกสร้าง (FIRST) ซึ่งเป็นศูนย์วิจัยด้านพลังงานของ DOE ที่สำรวจปฏิกิริยาระหว่างของเหลวกับของแข็งที่มีผลต่อการขนส่งพลังงานในการใช้งานในชีวิตประจำวัน นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการทดลองในการสังเคราะห์และกำหนดลักษณะวัสดุขั้นสูงและทำการวิเคราะห์ทฤษฎีและการจำลองเพื่ออธิบายคุณสมบัติของโครงสร้างและสมบัติที่สังเกตได้ของวัสดุ ความรู้ใหม่จากโครงการ FIRST เป็นแนวทางสำหรับการศึกษาในอนาคต

วัสดุที่มีคุณภาพสูงที่ใช้ในการทดลองเหล่านี้ได้รับการสังเคราะห์โดยนักวิทยาศาสตร์ของมหาวิทยาลัยเดร็กเซิลในรูปของเกล็ดเดียวที่เป็นเกล็ดเดียวของ MXene เกล็ดถูกนำมาจากคริสตัลแม่เรียกว่า "MAX" ซึ่งมีโลหะเปลี่ยนเป็น "M"; องค์ประกอบเช่นอลูมิเนียมหรือซิลิคอนแสดงด้วย "A"; และอะตอมของคาร์บอนหรือไนโตรเจนแสดงด้วย "X" นักวิจัยได้ใช้สารละลายที่มีฤทธิ์เป็นกรดเพื่อแกะสลักเลเยอร์อลูมิเนียมโมโนออกไซด์เอาเศษวัสดุออกมาและเจือจางลงในแท่งเดียวของไทเทเนียมคาร์ไบด์ MXene (Ti3C2)

นักวิทยาศาสตร์ของ ORNL ได้ระงับเกล็ด MXene ขนาดใหญ่ไว้บนชิปความร้อนที่มีรูเจาะอยู่ในนั้นจึงไม่มีวัสดุรองรับหรือสารตั้งต้นแทรกแซงกับเกล็ด ภายใต้สูญญากาศเกล็ดที่ห้อยลงมาได้รับความร้อนและถูกฉายด้วยลำแสงอิเล็กตรอนเพื่อทำความสะอาดพื้นผิว MXene และสัมผัสชั้นของอะตอมไทเทเนียมอย่างเต็มที่

MXenes โดยปกติจะเฉื่อยเนื่องจากพื้นผิวของพวกเขาถูกปกคลุมด้วยกลุ่มการทำงานที่ป้องกัน - อะตอมออกซิเจน, ไฮโดรเจนและฟลูออรีนที่ยังคงอยู่หลังจากการขัดผิวด้วยกรด หลังจากที่กลุ่มป้องกันถูกลบออกวัสดุที่เหลือจะเริ่มทำงาน ข้อบกพร่องขนาดอะตอม "ตำแหน่งงานว่าง" ที่สร้างขึ้นเมื่ออะตอมไททาเนียมถูกลบออกในระหว่างการแกะสลัก - ถูกสัมผัสกับชั้นนอกของแผ่นเดียว "เหล่านี้ว่างเปล่าอะตอมเป็นจุดเริ่มต้นที่ดี" ซางกล่าว "มันเหมาะสำหรับไทเทเนียมและอะตอมของคาร์บอนที่จะเคลื่อนย้ายจากบริเวณที่มีข้อบกพร่องไปสู่ผิวน้ำ" ในพื้นที่ที่มีข้อบกพร่องรูพรุนอาจเกิดขึ้นเมื่ออะตอมอพยพ

"เมื่อกลุ่มการทำงานเหล่านี้หมดไปแล้วตอนนี้คุณเหลืออยู่กับชั้นไทเทเนี่ยมเปลือย (และอยู่ด้านล่างเปลี่ยนคาร์บอนไททาเนียมคาร์บอนไทเทเนียม) ซึ่งสามารถสร้างและสร้างโครงสร้างใหม่ ๆ

การถ่ายภาพ STEM ความละเอียดสูงได้พิสูจน์ว่าอะตอมเคลื่อนจากส่วนหนึ่งไปยังอีกเพื่อสร้างโครงสร้าง เนื่องจากวัสดุฟีดที่ตัวเองกลไกการเจริญเติบโตเป็นมนุษย์กินกัน

Adri van Duin จาก Penn State กล่าวว่า "กลไกการเติบโตนี้ได้รับการสนับสนุนอย่างเต็มที่จากทฤษฎีการทำงานของความหนาแน่นและแบบจำลองพลวัตโมเลกุลเชิงปฏิกิริยาซึ่งจะเปิดโอกาสในอนาคตในการใช้เครื่องมือทางทฤษฎีเหล่านี้เพื่อกำหนดพารามิเตอร์การทดลองที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์โครงสร้างข้อบกพร่องที่เฉพาะเจาะจง"

โดยส่วนใหญ่แล้วเพียงแค่หนึ่งชั้น (คาร์บอนและไทเทเนียม) ขึ้นไปบนพื้นผิว วัสดุเปลี่ยนเป็นอะตอมสร้างชั้นใหม่ Ti3C2 เปลี่ยนเป็น Ti4C3 ตัวอย่างเช่น

Unocic กล่าวว่า "วัสดุเหล่านี้มีประสิทธิภาพในการขนส่งไอออนิกซึ่งช่วยให้การใช้งานแบตเตอรี่และตัวเก็บประจุ supercapacitor ดีขึ้น "การขนส่งไอออนิกจะเปลี่ยนไปอย่างไรเมื่อเราเพิ่มเลเยอร์เพิ่มเติมลงในแผ่น MXene ที่มีนาโนเมตรบาง?" คำถามนี้อาจกระตุ้นการศึกษาในอนาคต

"เนื่องจาก MXenes ประกอบด้วยโมลิบดีนัมไนโอเบียมวาเนเดียมแทนทาลัมฮาฟเนี่ยมโครเมียมและโลหะอื่น ๆ จึงมีโอกาสสร้างโครงสร้างใหม่ ๆ ที่มีอะตอมของโลหะมากกว่าสามหรือสี่ในส่วนตัดขวาง (ปัจจุบัน MXenes ผลิตได้ จากขั้นตอน MAX) "Yury Gogotsi จาก Drexel University กล่าว "วัสดุเหล่านี้อาจแสดงคุณสมบัติที่มีประโยชน์แตกต่างกันและสร้างอาร์เรย์ของ Building Block 2 มิติสำหรับเทคโนโลยีที่ก้าวหน้าขึ้น"

ศูนย์วิจัยวัสดุนาโนของ ORNL (CNMS), Yu Xie, Weiwei Sun และ Paul Kent ได้ทำการคำนวณทฤษฎีหลักการแรกเพื่ออธิบายว่าทำไมวัสดุเหล่านี้จึงโตขึ้นทีละชั้นแทนการสร้างโครงสร้างทางเลือกเช่นสี่เหลี่ยม Xufan Li และ Kai Xiao ช่วยให้เข้าใจกลไกการเติบโตซึ่งช่วยลดพลังงานผิวเพื่อรักษาเสถียรภาพของการกำหนดค่าอะตอม นักวิจัยของ Penn State ได้ทำการจำลองสนามแรงปฏิกิริยาแบบไดนามิกขนาดใหญ่ที่แสดงให้เห็นว่าอะตอมจัดเรียงใหม่บนพื้นผิวอย่างไรยืนยันโครงสร้างข้อบกพร่องและวิวัฒนาการของพวกมันตามที่สังเกตได้ในการทดลอง

นักวิจัยหวังว่าความรู้ใหม่จะช่วยให้ผู้อื่นปลูกวัสดุขั้นสูงขึ้นและสร้างโครงสร้างที่เป็นประโยชน์ในระดับนาโน

ชื่อเรื่องของบทความนี้คือ "ความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับอะตอมของ atomizing ในกลไกการเจริญเติบโตของคาร์ไบด์โลหะการเปลี่ยนรูป 2-D ชั้นเดียว"

menu
menu