Els resultats, publicats al Nature Communications, proporcionen informació que pot millorar el disseny de materials de 2D per a la càrrega ràpida d'emmagatzematge d'energia i dispositius electrònics.
Sota aquestes condicions experimentals, els àtoms de titani i de carboni poden formar espontàniament una capa atomicament prima de metall de transició de 2-D, que mai ha estat vista abans. Aquest estudi tracta de determinar els mecanismes i cinètiques de nivell atòmic que s'encarreguen de formar noves estructures d'un metall de transició de metall 2-D tal que es puguin realitzar nous mètodes de síntesi per aquesta classe de materials.
El material de partida era una ceràmica de 2-D anomenada MXene. A diferència de la majoria de les ceràmiques, els MXenes són bons conductors elèctrics, ja que estan fabricats amb capes atòmiques alternes de carboni o nitrogen intercalades en metalls de transició com el titani.
La investigació va ser un projecte del Centre de Reaccions, Estructures i Transport (FIRST), el Centre de Recerca DOE Energy Frontier, que explora reaccions de la interfície sòlides i fluides que tenen conseqüències per al transport energètic en aplicacions quotidianes. Els científics van realitzar experiments per sintetitzar i caracteritzar materials avançats i realitzar treballs de teoria i simulació per explicar les propietats estructurals i funcionals observades dels materials. Els nous coneixements dels primers projectes ofereixen guies per a futurs estudis.
El material d'alta qualitat utilitzat en aquests experiments va ser sintetitzat pels científics de la Universitat de Drexel, en forma de flocs de monocapa d'un sol vidre de cinc capes de MXene. Les escates es van prendre d'un cristall pare anomenat MAX, que conté un metall de transició denotat per M; un element com l'alumini o el silici, denotat per A; i un àtom de carboni o nitrogen, denotat per X. Els investigadors van utilitzar una solució àcida per a extreure les capes d'alumini monoatòmic, exfoliar el material i delaminar-lo en monocapes individuals d'un carbur de titani MXene (Ti3C2).
Els científics de l'ORNL van fer suspendre un escamós MXene en un xip de calefacció amb forats perforats, de manera que cap material de suport, ni substrat, va interferir amb la escata. Al buit, el floc suspès es va exposar a la calor i es va irradiar amb un feix d'electrons per netejar la superfície de MXene i exposar completament la capa d'àtoms de titani.
Els MXenes solen ser inerts perquè les seves superfícies estan cobertes amb grups funcionals protectors: àtoms d'oxigen, hidrogen i flúor que romanen després d'una exfoliació àcida. Un cop eliminats els grups de protecció, el material restant s'activa. Els defectes d'escala atòmica: les "vacants" creades quan els àtoms de titani són eliminats durant l'aiguafort, s'exposen a la capa exterior de la monocapa. Aquestes vacants atòmiques són bons llocs d'iniciació. És favorable que els àtoms de titani i carboni es moguin de llocs imperfectes a la superfície. En una àrea amb defecte, es pot formar un porus quan migren àtoms.
Una vegada que aquests grups funcionals han desaparegut, ara es queden amb una capa de titani, alternant carboni, titani, carboni, titani) que és lliure de reconstruir i formar estructures noves a sobre de les estructures existents.
Les imatges de STEM d'alta resolució van demostrar que els àtoms es movien d'una part del material a un altre per construir estructures. Com que el material s'alimenta de si mateix, el mecanisme de creixement es pot dir que és caníbal.
El mecanisme de creixement està completament recolzat per la teoria funcional de densitat i les simulacions dinàmiques moleculars reactives, per a així obrir les possibilitats futures d'utilitzar aquestes eines de teoria per determinar els paràmetres experimentals necessaris per a la síntesi d'estructures específiques de defectes.
La majoria de les vegades, només una capa addicional [de carboni i titani] créixer en una superfície. El material es va canviar a mesura que els àtoms van construir noves capes. Ti3C2 convertit en Ti4C3, per exemple.
Aquests materials són eficients en el transport iònic, que es presta bé a aplicacions per les bateries i els supercondensadors. Com que existeixen MXenes que contenen molibdè, niobium, vanadi, tàntal, hafni, crom i altres metalls, hi ha oportunitats de fer una varietat d'estructures noves que contenen més de tres o quatre àtoms de metall en secció transversal. Aquests materials poden mostrar diferents propietats útils i crear una sèrie de blocs de dades de 2-D per avançar en la tecnologia.
En el Centre per a les Ciències dels Materials de Nanofase de l'ORNL - CNMS, es van realitzar càlculs teòrics dels primers principis per explicar per què aquests materials van créixer de capa en capa en lloc de formar estructures alternatives, com ara quadrats. El investigadors, van ajudar a comprendre el mecanisme de creixement, que minimitza l'energia superficial per estabilitzar les configuracions atòmiques. Els científics de la Penn State University van realitzar simulacions de camp dinàmic de força reactiva a gran escala que mostren com els àtoms es reordenen a les superfícies, confirmant estructures de defectes i la seva evolució tal com s'observa en els experiments. Els investigadors esperen que el nou coneixement ajudi a altres a desenvolupar materials avançats i generar estructures de nanoescala útils.
Font: Laboratori Nacional Oak Ridge
