Así como la clonación en biología permite la creación de una o más réplicas de los mismos genes, El crecimiento con semillas en química puede producir una hoja de metal muy grande con exactamente la misma textura superficial que la de una con semillas. El crecimiento de semillas es muy popular en la síntesis de monocristales tridimensionales (3-D):los cristales 3-D siempre se cultivan en las mismas formas, al igual que las sales son invariablemente monocristales cúbicos.

Mientras tanto, láminas / películas muy delgadas pueden crecer en diferentes tipos dependiendo de las estructuras de la superficie. Como tal, las aplicaciones pueden variar. Se han dedicado grandes esfuerzos a la síntesis de láminas metálicas monocristalinas, ya que tienen muchas aplicaciones importantes, como (i) un sustrato para soportar la síntesis de varios materiales bidimensionales (2-D), (ii) diseñar las propiedades del material depositado en él, (iii) permitir la catálisis selectiva, y (iv) fabricar alambres metálicos con conductividades eléctricas y térmicas optimizadas. A pesar de tales posibilidades, El crecimiento sembrado rara vez se ha aplicado para cultivar películas delgadas debido a la falta de conocimiento sobre cómo controlar el proceso de crecimiento.

Grupo del Prof. Feng Ding del Centro de Materiales de Carbono Multidimensional, dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS, Corea del Sur), en colaboración con el grupo del Prof. Kaihui Liu y el grupo del Prof. Enge Wang de la Universidad de Pekín, así como el grupo del profesor Dapeng Yu de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur, informó cómo dar variaciones a láminas de metal monocristalino. A través de la estrategia de recocido guiado por oxidación más crecimiento de semillas, el equipo de investigación obtuvo más de 30 tipos de láminas de cobre del tamaño de papel A4 (~ 30 × 21 cm ² ), que es aproximadamente del mismo tamaño que el legal de EE. UU.

El equipo de investigación ha estado explorando láminas de cobre, uno de los sustratos más populares para apoyar el crecimiento del grafeno y otros materiales 2-D. Aunque obtuvieron láminas de cobre (Cu) monocristalino en su estudio anterior ( Boletín de ciencia , 2017, 62, 1074-1080), eran en su mayoría Cu (111), cuya superficie es ultraplana y, por lo tanto, menos activa que aquellas con bordes escalonados y torceduras. Mediante cálculos teóricos, el equipo de investigación concluyó que el Cu (111) tiende a formarse más fácilmente que otros tipos, ya que la superficie de Cu (111) tiene la energía superficial más baja y, por lo tanto, es la estructura más favorable de la naturaleza. Este razonamiento los llevó a ajustar la energía superficial de las láminas de Cu para obtener láminas de metal monocristalino con los tipos de superficie deseados.

El equipo de investigación cortó el "gen" de una pequeña lámina monocristalina y "pegó" la semilla (gen) para crear láminas de Cu muy grandes con la misma textura superficial exacta que la heredada. Para obtener semillas de metales monocristalinos con varias estructuras superficiales, Las láminas de Cu policristalino se oxidaron primero y luego se recocieron a alta temperatura (1020 ° C), que está cerca del punto de fusión del Cu, por varias horas. Cuando el Cu se oxidó, tanto su superficie superior como la inferior estaban cubiertas por una capa de óxido de cobre (CuxO). A medida que la superficie de Cu puro desaparece debido a la oxidación, las dos superficies de una hoja de Cu se transformaron en dos interfaces Cu-CuxO después de la preoxidación. Esta alteración cambió la fuerza impulsora del recocido de energía superficial a energía de interfaz. "Hemos probado que, a diferencia de las energías superficiales, las diferencias de las energías de interfaz de diferentes láminas de Cu son insignificantes, por lo que las láminas de Cu policristalino se pueden recocer en muchos tipos diferentes de monocristales al azar ", explica el profesor Feng Ding, el autor correspondiente del estudio.

A continuación, se cortó un pequeño trozo de lámina de una lámina de cristal monocristalino grande con una estructura de superficie deseada como semilla para la producción en masa. El equipo de investigación descubrió que el recocido de una gran lámina de Cu policristalino con dicha semilla dará lugar a una lámina de Cu monocristalino grande con exactamente la misma estructura de superficie (Figura 2, Etapa 2).

Se dedicaron grandes esfuerzos teóricos y experimentales a comprender cómo se formaron estas láminas de Cu monocristalino durante el recocido. Tal proceso se puede entender en dos etapas. Primero, la estructura de la superficie de la semilla se copió en la parte inferior de la lámina de Cu policristalino grande y formó un grano anormal (un grano que es mucho más grande que otros y tiene la ventaja de crecer más) con una estructura de superficie específica. Segundo, el crecimiento del grano anormal finalmente da como resultado una hoja de Cu monocristalino muy grande con la estructura de superficie designada.

De cientos de experimentos de recocido, el equipo de investigación obtuvo una biblioteca de láminas de Cu monocristalino con más de 30 tipos de estructuras superficiales diferentes, como se muestra en la Figura 3. Las dimensiones de las láminas de Cu monocristalino obtenidas alcanzaron los 39 * 21 cm ² , que estaba limitado por el tamaño del horno de recocido.

Además de las láminas de Cu, los investigadores demostraron que esta estrategia de crecimiento con semillas se puede aplicar para fabricar láminas de cristal único de gran superficie de otros metales, sugiriendo que varios tipos de láminas monocristalinas de la mayoría de los metales podrían estar disponibles en un futuro próximo. "Este logro demuestra un método práctico para la síntesis escalable de láminas de monocristal de metal de transición extremadamente grandes con diferentes tipos de superficies, que durante mucho tiempo se deseaba tanto para aplicaciones de ingeniería como de ciencias fundamentales. Nuestro logro abre muchas posibilidades, tales como utilizar metales monocristalinos como canales conductores en microdispositivos; utilice estas láminas de metal monocristalino como plantillas para la síntesis controlable de varios materiales bidimensionales; cultivar patrones moleculares de gran área con láminas de metal seleccionadas; y catalizar selectivamente reacciones químicas en una superficie de lámina con una estructura específica, "señala el profesor Kaihui Liu.

A continuación, el equipo de investigación tendrá como objetivo comprender el mecanismo de esta siembra y crecimiento de semillas inducidos por la oxidación a nivel atómico. Continuarán los esfuerzos experimentales para sintetizar varios tipos de láminas metálicas monocristalinas de diferentes metales o aleaciones metálicas, así como explorar amplias aplicaciones de estas láminas.

El estudio se publica en Naturaleza .