2019-01-15 08:26:01
研究人员对缺陷进行了分类 为二维材料提供了惊人的特性

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在世界范围内对石墨烯这样的原子薄材料的研究狂热中,有一个领域无法进行任何系统分析 - 尽管这些信息对于许多潜在应用至关重要,包括海水淡化,DNA测序和量子通信设备以及计算系统。

缺少的信息与这些2-D板中形成的微小缺陷或“孔”有关,当材料的晶格中缺少某些原子时。

现在麻省理工学院的研究人员已经解决了这个问题,他们已经制作了一个确切尺寸和形状的目录,这些目录最有可能被观察到(与理论上可能的更多)相比,当一定数量的原子被去除时来自原子晶格。结果在研究生Ananth Govind Rajan,化学工程系教授Daniel Blankschtein和Michael Strano以及麻省理工学院,洛克希德马丁太空和牛津大学的其他四篇论文的自然材料杂志上有所描述。

“这是石墨烯领域长期存在的问题,我们称之为纳米孔的异构体编目问题,”斯特拉诺说。对于那些想要使用石墨烯或类似的二维片状材料进行化学分离或过滤等应用的人来说,他说,“我们只需要了解可能发生的原子缺陷的种类”,与数量大得多的人相比从未见过。

例如,Blankschtein指出,通过从石墨烯中的六角形鸡丝状原子阵列中仅去除八个连续的碳原子,所产生的孔可能具有66种不同的可能形状。当移除的原子数增加到12时,可能形状的数量跃升至3,226,并且移除30个原子,有4000亿种可能性 - 远远超出任何合理的模拟和分析可能性。然而实际上只有少数这些形状被发现,因此预测哪些形状真正发生的能力对研究人员来说非常有用。

描述缺乏关于哪种孔实际可以形成的信息,斯特拉诺说,“实际上,它做了什么,它使您可以用计算机模拟的东西与实验室中实际测量的东西之间的脱节。”他说,这种实际可能形状的新目录将使得针对特定用途的材料的搜索更加易于管理。

进行分析的能力依赖于以前根本无法获得的许多工具。 “10年前你无法解决这个问题,”斯特拉诺说。但现在,通过使用包括化学图论,精确电子结构计算和高分辨率扫描透射电子显微镜在内的工具,研究人员已经捕获了显示单个原子精确位置的缺陷图像。

该团队将这些孔称为晶格“抗分子”,并根据已被去除的原子形成的形状描述它们。这种方法首次提供了一个简单而连贯的框架,用于描述这些复杂形状的整个集合。以前,“如果你在谈论材料中的这些毛孔,就没有办法确定”所涉及的特定类型的孔,Govind Rajan说。他补充说:“一旦人们开始更频繁地创造这些毛孔,最好有一个命名惯例”来识别它们。

这个新目录可以帮助开辟各种潜在的应用程序。 “缺陷既好又坏,”斯特拉诺解释说。 “有时候你想要阻止它们”,因为它们削弱了材料,但“有时你想要制造它们并控制它们的尺寸和形状”,例如用于过滤,化学处理或DNA测序,其中只有某些特定分子可以穿过这些洞。另一种应用可能是量子计算或通信设备,其中特定尺寸和形状的孔被调谐以发射特定颜色和能量水平的光子。

Govind Rajan说,除了它们对材料机械性能的影响外,孔还会影响电子,磁性和光学特性。

斯特拉诺预测,“我们认为这项工作将成为研究二维材料缺陷的有价值的工具”,因为它将使研究人员能够找到有希望的缺陷类型,而不必对无数理论上可能的形状进行分类“你根本不在乎,因为它们是如此不可能,它们永远不会形成。“

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