Desde su descubrimiento en 2004, El grafeno, un material atómicamente delgado con una resistencia y propiedades eléctricas asombrosas, ha inspirado a científicos de todo el mundo a diseñar nuevos materiales 2-D para una amplia gama de aplicaciones. desde energías renovables y catalizadores hasta microelectrónica.

Mientras que las estructuras 2-D se forman naturalmente en materiales como el grafeno, algunos científicos han buscado fabricar materiales 2-D a partir de semiconductores llamados óxidos de metales de transición:compuestos compuestos por átomos de oxígeno unidos a un metal de transición como el cobalto. Pero aunque los científicos saben desde hace mucho tiempo cómo fabricar nanopartículas de óxidos de metales de transición, nadie ha encontrado una forma controlable de convertir estas nanopartículas 3D en nanohojas, que son materiales 2-D delgados de solo unos pocos átomos de espesor.

Ahora, un equipo de científicos dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) ha obtenido información valiosa sobre la "ventaja" natural de las nanopartículas de óxido de metal de transición 3-D para el crecimiento 2-D. Sus hallazgos fueron reportados en Materiales de la naturaleza .

Usando un microscopio electrónico de transmisión de fase líquida (TEM) en la Fundición Molecular de Berkeley Lab para los experimentos, La coautora correspondiente Haimei Zheng y su equipo observaron directamente el crecimiento dinámico de nanopartículas de óxido de cobalto en una solución, y su posterior transformación en una nanoplaca bidimensional plana.

"Esta transformación de 3-D a 2-D es muy parecida a la clara de un huevo que se extiende mientras se fríe en una sartén, "dijo Zheng, un científico senior del personal de la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab que dirigió el estudio.

En estudios anteriores, Los científicos habían asumido que solo dos factores principales:la energía en masa del volumen de las nanopartículas, y la energía superficial de las nanopartículas:impulsarían el crecimiento de las nanopartículas en una forma tridimensional, Zheng explicó.

Nueva energía sale a la luz

Pero los cálculos dirigidos por el coautor para correspondencia Lin-Wang Wang revelaron otra energía que antes se había pasado por alto:la energía del borde. En un facetado, nanopartícula rectangular como una nanopartícula de óxido de metal de transición, el borde de una faceta también aporta energía; en este caso, energía positiva:hacia el crecimiento y la forma de las nanopartículas. Pero para que una nanopartícula de óxido de metal de transición se convierta en una nanohoja 2-D, la energía superficial debe ser negativa.

"Y es el equilibrio entre estas dos energías, uno negativo y otro positivo, que determina el cambio de forma, ", Dijo Wang. Para nanopartículas más pequeñas, la energía del borde positivo gana, lo que conduce a una forma tridimensional compacta. Pero cuando las nanopartículas de óxido de cobalto crecen, finalmente alcanzan un punto crítico donde gana la energía superficial negativa, dando como resultado una nanohoja 2-D, él explicó. Wang, un científico senior en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab, realizó los cálculos para el estudio sobre supercomputadoras en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación de Energía de Berkeley Lab (NERSC).

Descubriendo estas vías de crecimiento, incluida la transición de 3-D-a-2-D, Zheng agregado, proporciona nuevas oportunidades para el diseño simplificado de nuevos materiales exóticos a partir de compuestos cuyas estructuras atómicas irregulares, como óxidos de metales de transición, son más difíciles de sintetizar que el grafeno en dispositivos 2-D de varias capas.

Zheng y su equipo concluyeron que el estudio no podría haber sido posible con un microscopio electrónico convencional. Mediante el uso de TEM en fase líquida en Molecular Foundry, los investigadores pudieron estudiar el crecimiento de materiales atómicamente delgados en solución encapsulando la muestra líquida en una celda líquida especialmente diseñada. La celda evitó que la muestra colapsara en el alto vacío del microscopio electrónico.

"Sería imposible conocer una ruta de crecimiento así sin esta observación in situ, "dijo el primer autor Juan Yang, quien era investigador doctoral visitante en Berkeley Lab de la Universidad Tecnológica de Dalian de China en el momento del estudio. "Este descubrimiento puede transformar nuestro diseño futuro de materiales con propiedades de superficie mejorada para catálisis y aplicaciones de detección del futuro".

Próximos pasos

A continuación, los investigadores planean centrarse en el uso de TEM de células líquidas para cultivar materiales 2-D más complejos, como heteroestructuras, que son como sándwiches de materiales estratificados con diferentes propiedades.

"Como un arquitecto que se inspira en la forma en que ha crecido una antigua secuoya gigante, los científicos de materiales se inspiran para diseñar estructuras cada vez más complejas para el almacenamiento de energía, "dijo Zheng, quien fue pionero en la TEM de células líquidas en Berkeley Lab en 2009. "Pero, ¿por qué crecen de esa manera? Nuestra fortaleza en Berkeley Lab es que podemos estudiarlos a nivel atómico y verlos crecer en tiempo real y descubrir los mecanismos que contribuir al diseño de mejores materiales ".