Una nueva investigación dirigida por científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford muestra cómo los átomos individuales se mueven en billonésimas de segundo para formar arrugas en un material de tres átomos de espesor. Revelado por una nueva cámara de electrones,"uno de los más rápidos del mundo, este nivel de detalle sin precedentes podría guiar a los investigadores en el desarrollo de células solares eficientes, electrónica rápida y flexible y catalizadores químicos de alto rendimiento".
El avance, aceptado para su publicación el 31 de agosto en Nano letras , podría llevar la ciencia de los materiales a un nivel completamente nuevo. Fue posible gracias al instrumento SLAC para la difracción de electrones ultrarrápida UED, que utiliza electrones energéticos para tomar instantáneas de átomos y moléculas en escalas de tiempo tan rápidas como 100 cuatrillonésimas de segundo.
"Este es el primer resultado científico publicado con nuestro nuevo instrumento", dijo el científico Xijie Wang, líder del equipo UED de SLAC. "Muestra la combinación sobresaliente del método de resolución atómica, velocidad y sensibilidad".
El director de SLAC, Chi-Chang Kao, dijo: "Junto con los datos complementarios de la fuente de luz coherente Linac con láser de rayos X de SLAC, UED crea oportunidades sin precedentes para la ciencia ultrarrápida en una amplia gama de disciplinas, desde la ciencia de los materiales hasta la química y las biociencias".LCLS es una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE.
Propiedades extraordinarias de material en dos dimensiones
Las monocapas, o materiales en 2-D, contienen una sola capa de moléculas. De esta forma, pueden adquirir propiedades nuevas y emocionantes, como una resistencia mecánica superior y una capacidad extraordinaria para conducir electricidad y calor. Pero, ¿cómo adquieren estas monocapas?¿Sus características únicas? Hasta ahora, los investigadores solo tenían una visión limitada de los mecanismos subyacentes.
"La funcionalidad de los materiales 2-D depende de manera crítica de cómo se mueven sus átomos", dijo el investigador de SLAC y Stanford Aaron Lindenberg, quien dirigió el equipo de investigación. "Sin embargo, nadie ha podido estudiar estos movimientos a nivel atómico".y en tiempo real antes. Nuestros resultados son un paso importante hacia la ingeniería de dispositivos de próxima generación a partir de materiales de una sola capa ". El equipo de investigación analizó el disulfuro de molibdeno, o MoS2, que se usa ampliamente como lubricante pero adquiere una serie de interesantescomportamientos cuando se encuentra en una sola capa: más de 150,000 veces más delgado que un cabello humano.
Por ejemplo, la forma monocapa es normalmente un aislante, pero cuando se estira, puede volverse eléctricamente conductor. Este comportamiento de conmutación podría usarse en dispositivos electrónicos delgados y flexibles y para codificar información en dispositivos de almacenamiento de datos. Las películas delgadas de MoS2 también están debajoestudie como posibles catalizadores que faciliten las reacciones químicas. Además, capturan la luz de manera muy eficiente y podrían usarse en futuras células solares.
Debido a esta fuerte interacción con la luz, los investigadores también creen que pueden manipular las propiedades del material con pulsos de luz.
"Para diseñar dispositivos futuros, controlarlos con luz y crear nuevas propiedades a través de modificaciones sistemáticas, primero debemos comprender las transformaciones estructurales de monocapas a nivel atómico", dijo el investigador de Stanford Ehren Mannebach, autor principal del estudio.
La cámara electrónica revela movimientos ultrarrápidos
Los análisis anteriores mostraron que las capas individuales de disulfuro de molibdeno tienen una superficie arrugada. Sin embargo, estos estudios solo proporcionaron una imagen estática. El nuevo estudio revela por primera vez cómo se forman y evolucionan las ondas superficiales en respuesta a la luz láser.
Los investigadores de SLAC colocaron sus muestras de monocapa, que fueron preparadas por el grupo de Linyou Cao en la Universidad Estatal de Carolina del Norte, en un haz de electrones muy enérgicos. Los electrones, que vienen agrupados en pulsos ultracortos, se dispersan de los átomos de la muestra y producen una señalen un detector que los científicos usan para determinar dónde se encuentran los átomos en la monocapa. Esta técnica se llama difracción de electrones ultrarrápida.
El equipo luego utilizó pulsos láser ultracortos para excitar movimientos en el material, lo que hace que el patrón de dispersión cambie con el tiempo.
"Combinados con cálculos teóricos, estos datos muestran cómo los pulsos de luz generan arrugas que tienen grandes amplitudes, más del 15 por ciento del grosor de la capa, y se desarrollan extremadamente rápido, en aproximadamente una billonésima de segundo. Esta es la primeracada vez que alguien ha visualizado estos movimientos atómicos ultrarrápidos ", dijo Lindenberg.
Una vez que los científicos comprendan mejor las monocapas de diferentes materiales, podrían comenzar a juntarlas y diseñar materiales mixtos con propiedades ópticas, mecánicas, electrónicas y químicas completamente nuevas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio nacional de aceleración DOE / SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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