Los científicos del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía indujeron a un material bidimensional a canibalizarse a sí mismo en busca de "bloques de construcción" atómicos a partir de los cuales se formaron estructuras estables.

Los resultados, reportado en Comunicaciones de la naturaleza , proporcionar información que pueda mejorar el diseño de materiales 2-D 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 2-D, que nunca se había observado antes, "dijo Xiahan Sang de ORNL.

Él y Raymond Unocic de ORNL dirigieron un equipo que realizó experimentos in situ utilizando microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) de última generación, combinado con simulaciones basadas en la teoría, para revelar los detalles atomísticos del mecanismo.

"Este estudio 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 2-D de manera que se puedan realizar nuevos métodos de síntesis para esta clase de materiales, "Añadió Unocic.

El material de partida era una cerámica bidimensional denominada 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 de las reacciones de interfaz fluida, Centro de Estructuras y Transportes (FIRST), un Centro de Investigación de la Frontera de la Energía del DOE que explora las reacciones de la interfaz fluido-sólido que tienen consecuencias para el transporte de energía en las aplicaciones diarias. Los científicos realizaron experimentos para sintetizar y caracterizar materiales avanzados y realizaron trabajos de teoría y simulación para explicar las propiedades estructurales y funcionales observadas de los materiales. Los nuevos conocimientos de los proyectos FIRST proporcionan pautas para estudios futuros.

El material de alta calidad utilizado en estos experimentos fue sintetizado por científicos de la Universidad de Drexel, en forma de escamas monocapa de cristal simple de cinco capas de MXene. Los copos se tomaron de un cristal padre llamado "MAX, "que contiene un metal de transición indicado por" M "; un elemento como el aluminio o el silicio, denotado por "A"; y un átomo de carbono o nitrógeno, denotado por "X". Los investigadores utilizaron una solución ácida para grabar las capas de aluminio monoatómico, exfoliar el material y deslaminarlo en monocapas individuales de carburo de titanio MXene (Ti3C2).

Los científicos de ORNL suspendieron un gran copo de MXene en un chip calefactor con agujeros perforados para que no hubiera material de soporte, o sustrato, interfirió con la escama. Al vacío, la escama suspendida se expuso al calor y se irradió con un haz de electrones para limpiar la superficie de MXene y exponer completamente la capa de átomos de titanio.

Los MXenos son típicamente inertes porque sus superficies están cubiertas con grupos funcionales protectores:oxígeno, átomos de hidrógeno y flúor que quedan después de la exfoliación ácida. Una vez eliminados los grupos protectores, el material restante se activa. Los defectos de escala atómica ("vacantes" que se crean cuando se eliminan los átomos de titanio durante el grabado) quedan expuestos en la capa exterior de la monocapa. "Estas vacantes atómicas son buenos sitios de iniciación, "Es favorable que los átomos de titanio y carbono se muevan de los sitios defectuosos a la superficie", dijo Sang. En un área con un defecto, se puede formar un poro cuando los átomos migran.

"Una vez que esos grupos funcionales desaparecen, ahora te quedas con una capa de titanio desnuda (y debajo, carbono alterno, titanio, carbón, 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. Porque el material se alimenta de sí mismo, el mecanismo de crecimiento es caníbal.

"El mecanismo de crecimiento está completamente respaldado por la teoría funcional de la densidad y las simulaciones de dinámica molecular reactiva, abriendo así posibilidades futuras de utilizar estas herramientas teóricas para determinar los parámetros experimentales necesarios para sintetizar estructuras de defectos específicas, ", dijo Adri van Duin de Penn State.

La mayor parte del tiempo sólo una capa adicional [de carbono y titanio] creció en una superficie. El material cambió a medida que los átomos formaban nuevas capas. Ti3C2 se convirtió en Ti4C3, por ejemplo.

"Estos materiales son eficientes en el transporte iónico, que se adapta bien a aplicaciones de baterías y supercondensadores, "Dijo Unocic." ¿Cómo cambia el transporte iónico cuando agregamos más capas a láminas de MXene delgadas en nanómetros? "Esta pregunta puede estimular futuros estudios.

"Debido a que los MXenes que contienen molibdeno, niobio, vanadio, tantalio hafnio, el cromo y otros metales están disponibles, hay oportunidades para hacer una variedad de nuevas estructuras que contienen más de tres o cuatro átomos de metal en sección transversal (el límite actual para los MXenes producidos a partir de las fases MAX), Yury Gogotsi, de la Universidad de Drexel, agregó:"Esos materiales pueden mostrar diferentes propiedades útiles y crear una serie de bloques de construcción 2-D para el avance de la tecnología".

En el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos de ORNL (CNMS), Yu Xie, Weiwei Sun y Paul Kent realizaron cálculos de la teoría de los primeros principios para explicar por qué estos materiales crecieron capa por capa en lugar de formar estructuras alternativas. como cuadrados. Xufan Li y Kai Xiao ayudaron a comprender el mecanismo de crecimiento, que minimiza la energía superficial para estabilizar las configuraciones atómicas. Los científicos de Penn State realizaron simulaciones de campo de fuerza reactiva dinámica a gran escala que muestran cómo los átomos se reorganizan en las superficies, confirmando las estructuras de defectos y su evolución como se observa en los experimentos.

Los investigadores esperan que el nuevo conocimiento ayude a otros a cultivar materiales avanzados y generar estructuras útiles a nanoescala.

El título del artículo es "Perspectiva atomística in situ de los mecanismos de crecimiento de los carburos de metales de transición 2D de una sola capa".