Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía indujeron un material bidimensional para canibalizarse a sí mismo en busca de "bloques de construcción" atómicos a partir de los cuales se formaron estructuras estables.
Los resultados, reportados en Comunicaciones de la naturaleza , brinde información que pueda mejorar el diseño de materiales 2D para dispositivos electrónicos y de almacenamiento de energía de carga rápida.
"En nuestras condiciones experimentales, los átomos de titanio y carbono pueden formar espontáneamente una capa atómicamente delgada de carburo de metal de transición 2D, que nunca antes se observó", dijo Xiahan Sang de ORNL.
Él y Raymond Unocic de ORNL lideraron un equipo que realizó experimentos in situ utilizando microscopía electrónica de transmisión de barrido STEM de última generación, combinada con simulaciones basadas en la teoría, para revelar los detalles atomísticos del mecanismo.
"Este estudio se trata de determinar los mecanismos y la cinética a nivel atómico que son responsables de formar nuevas estructuras de un carburo de metal de transición 2D de modo que se puedan realizar nuevos métodos de síntesis para esta clase de materiales", agregó Unocic.
El material de partida era una cerámica 2D llamada MXene pronunciado "max een". A diferencia de la mayoría de las cerámicas, los MXenes son buenos conductores eléctricos porque están hechos de capas atómicas alternas de carbono o nitrógeno intercaladas dentro de metales de transición como el titanio.
La investigación fue un proyecto del Centro de reacciones, estructuras y transporte de la interfaz de fluidos FIRST, un Centro de investigación de la frontera energética del DOE que explora las reacciones de la interfaz fluido-sólido que tienen consecuencias para el transporte de energía en aplicaciones cotidianas. Los científicos realizaron experimentos para sintetizar ycaracterizar materiales avanzados y realizar trabajos de teoría y simulación para explicar las propiedades estructurales y funcionales observadas de los materiales. El nuevo conocimiento de los proyectos FIRST proporciona guías para futuros estudios.
El material de alta calidad utilizado en estos experimentos fue sintetizado por científicos de la Universidad de Drexel, en forma de escamas monocapa monocristalinas de cinco capas de MXene. Las escamas fueron tomadas de un cristal original llamado "MAX", que contiene una transiciónmetal denotado por "M", un elemento como aluminio o silicio, denotado por "A", y un átomo de carbono o nitrógeno, denotado por "X". Los investigadores usaron una solución ácida para grabar las capas de aluminio monoatómico, exfoliarel material y deslaminarlo en monocapas individuales de un carburo de titanio MXene Ti3C2.
Los científicos de ORNL suspendieron una gran escama de MXene en un chip de calentamiento con agujeros perforados para que ningún material de soporte o sustrato interfiriera con la escama. Al vacío, la escama suspendida se expuso al calor y se irradió con un haz de electrones para limpiarlala superficie MXene y exponga completamente la capa de átomos de titanio.
Los MXenes son típicamente inertes porque sus superficies están cubiertas con grupos funcionales protectores: átomos de oxígeno, hidrógeno y flúor que quedan después de la exfoliación ácida. Después de que se eliminan los grupos protectores, se activa el material restante. Defectos a escala atómica - "vacantes" creadascuando los átomos de titanio se eliminan durante el grabado, se exponen en la capa externa de la monocapa. "Estas vacantes atómicas son buenos sitios de iniciación", dijo Sang. "Es favorable que los átomos de titanio y carbono se muevan de sitios defectuosos a la superficie".En un área con un defecto, se puede formar un poro cuando los átomos migran.
"Una vez que esos grupos funcionales se han ido, ahora te queda una capa de titanio desnuda y debajo, alternando carbono, titanio, carbono, titanio que es libre de reconstruir y formar nuevas estructuras sobre las estructuras existentes", dijo Sang.
Las imágenes STEM de alta resolución demostraron que los átomos se movían de una parte del material a otra para construir estructuras. Debido a que el material se alimenta a sí mismo, el mecanismo de crecimiento es caníbal.
"El mecanismo de crecimiento está completamente respaldado por la teoría de la densidad funcional y las simulaciones reactivas de la dinámica molecular, lo que abre futuras posibilidades para usar estas herramientas teóricas para determinar los parámetros experimentales necesarios para sintetizar estructuras de defectos específicos", dijo Adri van Duin de Penn State.
La mayoría de las veces, solo una capa adicional [de carbono y titanio] creció en una superficie. El material cambió a medida que los átomos construyeron nuevas capas. Ti3C2 se convirtió en Ti4C3, por ejemplo.
"Estos materiales son eficientes en el transporte iónico, que se presta bien para aplicaciones de baterías y supercondensadores", dijo Unocic. "¿Cómo cambia el transporte iónico cuando agregamos más capas a láminas MXene delgadas nanométricas?" Esta pregunta puede estimular estudios futuros.
"Debido a que los MXenes que contienen molibdeno, niobio, vanadio, tántalo, hafnio, cromo y otros metales están disponibles, existen oportunidades para crear una variedad de nuevas estructuras que contengan más de tres o cuatro átomos de metal en sección transversal el límite actual paraMXenes producido a partir de las fases MAX ", agregó Yury Gogotsi de la Universidad de Drexel." Esos materiales pueden mostrar diferentes propiedades útiles y crear una serie de bloques de construcción 2D para el avance de la tecnología ".
En el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos CNMS de ORNL, Yu Xie, Weiwei Sun y Paul Kent realizaron cálculos teóricos de primeros principios para explicar por qué estos materiales crecieron capa por capa en lugar de formar estructuras alternativas, como cuadrados. Xufan Li y KaiXiao ayudó a comprender el mecanismo de crecimiento, que minimiza la energía de la superficie para estabilizar las configuraciones atómicas. Los científicos de Penn State realizaron simulaciones dinámicas de campo de fuerza reactiva a gran escala que muestran cómo los átomos se reorganizaron en las superficies, confirmando las estructuras defectuosas y su evolución como se observó en los experimentos.
Los investigadores esperan que el nuevo conocimiento ayude a otros a desarrollar materiales avanzados y generar estructuras útiles a nanoescala.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Original escrito por Dawn Levy. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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