Cristales monocapa, a menudo se hace referencia como cristales 2D o materiales 2D, Poseen la característica única de tener una sola capa de estructura atómica regular. Y cuanto más regular es la estructura, cuanto mayor sea la calidad del cristal. En algunos casos, la estructura atómica se repite a la perfección, pero la mayoría de las veces, como suele ser el caso en la naturaleza, existen algunos defectos.

Disulfuro de molibdeno (MoS ₂ ), un cristal negro que parece grafito, es un ejemplo de un cristal que tiene tal estructura en capas en la que pueden estar presentes defectos. "Los átomos de la monocapa MoS ₂ están organizados en tres capas, como un sándwich:una capa inferior de átomos de azufre, y luego una capa de átomos de metal, y finalmente otra capa de átomos de azufre, "dice Aleksandra Radenovic, el jefe del Laboratorio de Biología a Nanoescala de la Escuela de Ingeniería de EPFL. "Pero a veces, faltan algunos átomos de azufre, lo que conduce a defectos de vacancia en los cristales. Estos defectos también pueden resultar beneficiosos. Por ejemplo, catalizan la reacción de división del agua para producir hidrógeno o sirven como sitios objetivo en detectores de biomoléculas. Por eso nos interesan estos defectos, especialmente en su comportamiento en líquido ".

Radenovic, junto con el postdoctorado Miao Zhang, Martina Lihter, ex Ph.D. estudiante, y colaboradores, estudió MoS ₂ muestras y desarrolló un método para mapear este tipo de defectos en líquidos, conduciendo a una mejor comprensión de las propiedades del material. En microscopía electrónica, que permite la visualización directa de defectos con excelente resolución debido al uso de haz de electrones de alta energía, Se requiere un entorno de vacío. "Las mediciones en el líquido siguen siendo un desafío, "dice Radenovic. Para poder visualizar los sitios de defectos en líquido, El equipo de LBEN adaptó la modalidad de obtención de imágenes de microscopía óptica denominada Acumulación de puntos en topografía a nanoescala, PINTURA. El trabajo ha sido recientemente publicado en ACS Nano .

Arrojando luz sobre los defectos

Porque el MoS monocapa ₂ el cristal tiene solo tres capas de átomos delgadas, es casi transparente, lo que permite a los científicos observarlo a través de un cubreobjetos de vidrio delgado en un microscopio invertido. "Colocamos nuestra muestra en una solución acuosa para estudiar la actividad de los defectos en el ambiente líquido, "dice Lihter.

Luego, los científicos utilizaron sondas de tiol fluorescentes que se unen específicamente a las vacantes de azufre. "Al dirigir un rayo láser sobre la muestra, podemos ver directamente una sola sonda que se une a un defecto y ubicar con precisión su posición, ", dice Zhang. Resulta que tal unión es reversible bajo ciertas condiciones. Al imaginar tal unión transitoria aleatoria en defectos durante un período de tiempo, como una reminiscencia de la estrategia PAINT, los científicos pudieron identificar y contar los defectos del cristal y cuantificar sus imperfecciones, todo a una escala relativamente grande. "De este modo, también pudimos observar cómo los defectos interactuaban con su entorno, "dice Zhang.

Alterar las propiedades de un material

Las vacantes de azufre tienen como resultado el cambio de propiedades del material. MoS ₂ es un material semiconductor que se utiliza para fabricar chips para dispositivos electrónicos. Por lo tanto, los experimentos realizados por el equipo de Radenovic no estaban destinados solo a mapear defectos, sino también para estudiar el comportamiento del material para curar los defectos. "Una estructura atómica irregular modifica la forma en que los electrones se mueven dentro de un material y la movilidad del portador del material, ", dice Radenovic." Eso, en consecuencia, altera sus propiedades ".

Mientras que los científicos se centraron en MoS ₂ para este estudio, su método es aplicable a otros materiales de la misma familia (dicalcogenuro de metal de transición) que tienen una estructura atómica sándwich.