Los científicos del Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE. UU. Y sus colaboradores de la Universidad Estatal de Iowa han desarrollado un nuevo enfoque para generar capas, difícil de combinar, sólidos heteroestructurados. Materiales heteroestructurados, compuesto por capas de bloques de construcción diferentes muestran transporte electrónico único y propiedades magnéticas que se rigen por interacciones cuánticas entre sus bloques de construcción estructuralmente diferentes, y abrir nuevas vías para aplicaciones electrónicas y energéticas.

La técnica para hacerlos es simple, y contradictorio:implica romper los materiales prístinos para construir otros nuevos. Llamada mecanoquímica, la técnica utiliza el molino de bolas para separar sólidos estructuralmente inconmensurables (los que no tienen arreglos atómicos coincidentes) y volver a ensamblarlos en heteroconjuntos únicos tridimensionales (3-D) "inadaptados". Romper cosas juntas moliendo parece la forma menos plausible de lograr el orden atómico, pero resultó ser más exitoso de lo que los propios científicos imaginaban.

"Un colega me comentó que nuestras ideas serían ingenuas o brillantes, "dijo Viktor Balema, Científico senior del laboratorio Ames. "Hace algún tiempo descubrimos la reorganización estocástica de dicalcogenuros metálicos en capas (TMDC) en heteroconjuntos 3-D durante el fresado mecánico. Fue una completa sorpresa para nosotros y despertó nuestra curiosidad sobre la posibilidad de ordenamiento atómico a través del procesamiento mecanoquímico".

Los calcogenuros metálicos son a menudo únicos en sus propiedades y usos. Pueden mostrar comportamientos de transporte de electrones notables que van desde la falta total de conductividad eléctrica hasta la superconductividad, propiedades fotoeléctricas y termoeléctricas, flexibilidad mecánica y, especialmente, la capacidad de formar monocapas bidimensionales estables, heteroestructuras tridimensionales, y otros materiales cuánticos a nanoescala.

"Nanoestructuras de compuestos en capas inadaptados (MLC) en forma de nanotubos, Las nanofilms (ferecristales) y las láminas exfoliadas se han investigado durante más de una década y ofrecen un rico campo de investigación y posiblemente también aplicaciones interesantes en energías renovables. catálisis y optoelectrónica, "dijo Reshef Tenne del Instituto de Ciencias Weizmann, Israel, y experto en síntesis de nanoestructuras. "Un obstáculo para su aplicación a gran escala son las altas temperaturas y los prolongados procesos de crecimiento, que son prohibitivos para aplicaciones a gran escala. El proceso mecanoquímico desarrollado por el grupo Balema en Ames Lab, además de ser estimulante científicamente, nos acerca un paso más a realizar aplicaciones prácticas para estos fascinantes materiales ".

Típicamente, estos materiales complejos, especialmente aquellos con las estructuras y propiedades más inusuales, se elaboran utilizando dos enfoques sintéticos diferentes. El primero, conocida como síntesis de arriba hacia abajo, emplea bloques de construcción bidimensionales (2-D) para ensamblarlos, utilizando técnicas de fabricación aditiva. El segundo enfoque, ampliamente definido como síntesis ascendente, utiliza reacciones químicas escalonadas que involucran elementos puros o pequeñas moléculas que depositan monocapas individuales una encima de la otra. Ambos son meticulosos y tienen otras desventajas, como una escasa escalabilidad para su uso en aplicaciones del mundo real.

El equipo del laboratorio Ames combinó estos dos métodos en un proceso mecanoquímico que exfolia simultáneamente, se desintegra y recombina los materiales de partida en nuevas heteroestructuras a pesar de que sus estructuras cristalinas no encajan bien entre sí (es decir, no encajan bien). Cálculos teóricos (DFT), apoyado por los resultados de la difracción de rayos X, microscopía electrónica de transmisión de barrido, Espectroscopía Raman, estudios de transporte de electrones y, por primera vez, experimentos de resonancia magnética nuclear (RMN) de estado sólido, explicó el mecanismo de reorganización de los materiales precursores y las fuerzas impulsoras detrás de la formación de nuevas heteroestructuras 3D durante el procesamiento mecánico.

"La espectroscopia de RMN de estado sólido es una técnica ideal para la caracterización de materiales en polvo que se obtienen de la mecanoquímica, "dijo Aaron Rossini, Científico del laboratorio Ames y profesor de química en la Universidad Estatal de Iowa. "Combinando la información obtenida de la espectroscopia de RMN de estado sólido con otras técnicas de caracterización, podemos obtener una imagen completa de las heteroestructuras 3-D".

La investigación se analiza con más detalle en el documento, "Generación sin precedentes de heteroestructuras 3-D por desmontaje mecanoquímico y reordenación de calcogenuros metálicos inconmensurables, "escrito por Oleksandr Dolotko, Ihor Z. Hlova, Arjun K. Pathak, Yaroslav Mudryk, Vitalij K. Pecharsky, Prashant Singh, Duane D. Johnson, Brett W. Boote, Jingzhe Li, Emily A. Smith, Scott L. Carnahan, Aaron J. Rossini, Lin Zhou, Ely M. Eastman, y Viktor P. Balema; y publicado en Comunicaciones de la naturaleza .