Assim como a clonagem em biologia permite a criação de uma ou mais réplicas dos mesmos genes, o crescimento semeado em química pode produzir uma folha de metal muito grande com exatamente a mesma textura de superfície que a semeada. O crescimento semeado é muito popular na síntese de cristais únicos tridimensionais (3-D):os cristais 3-D sempre crescem nas mesmas formas, assim como os sais são invariavelmente monocristais cúbicos.

Enquanto isso, folhas / filmes muito finos podem crescer em diferentes tipos, dependendo das estruturas da superfície. Como tal, os aplicativos podem variar. Grandes esforços foram dedicados à síntese de folhas metálicas monocristalinas, pois elas têm muitas aplicações importantes, tal como (i) um substrato para apoiar a síntese de vários materiais bidimensionais (2-D), (ii) projetar as propriedades do material depositado nele, (iii) permitindo a catálise seletiva, e (iv) fabricação de fios metálicos com condutividades elétrica e térmica otimizadas. Apesar de tais possibilidades, o crescimento semeado raramente foi aplicado para cultivar filmes finos devido à falta de conhecimento sobre como controlar o processo de crescimento.

Grupo do Prof. Feng Ding do Center for Multidimensional Carbon Materials, dentro do Institute for Basic Science (IBS, Coreia do Sul), em colaboração com o grupo do Prof. Kaihui Liu e o grupo do Prof. Enge Wang da Universidade de Pequim, bem como o grupo do Prof. Dapeng Yu da Southern University of Science and Technology, relatou como dar variações a folhas de metal cristalinas simples. Por meio do recozimento conduzido por oxidação mais estratégia de crescimento semeado, a equipe de pesquisa obteve mais de 30 tipos de folhas de cobre do tamanho de papel A4 (~ 30 × 21 cm ² ), que é quase do mesmo tamanho que o legal dos EUA.

A equipe de pesquisa tem explorado folhas de cobre, um dos substratos mais populares para suportar o crescimento de grafeno e outros materiais 2-D. Embora eles tenham obtido folhas de cobre (Cu) de cristal único em seu estudo anterior ( Boletim de Ciências , 2017, 62, 1074-1080), eles eram principalmente Cu (111), cuja superfície é ultra-plana e, portanto, menos ativa do que aquelas com bordas de degrau e dobras. Por meio de cálculos teóricos, a equipe de pesquisa concluiu que Cu (111) tende a ser formado mais facilmente do que outros tipos, como a superfície de Cu (111) tem a energia superficial mais baixa e, portanto, é a estrutura mais favorável da natureza. Esse raciocínio os levou a sintonizar a energia da superfície das folhas de Cu, a fim de obter folhas metálicas monocristalinas com os tipos de superfície desejados.

A equipe de pesquisa cortou o "gene" de uma pequena folha única cristalina e "colou" a semente (gene) para criar folhas de Cu muito grandes com a textura de superfície exata da herdada. Para obter sementes de metal cristalino único com várias estruturas de superfície, As folhas de Cu policristalino foram primeiro oxidadas e, em seguida, recozidas em alta temperatura (1020 ° C), que está perto do ponto de fusão do Cu, por várias horas. Quando o Cu foi oxidado, ambas as superfícies superior e inferior foram cobertas por uma camada de óxido de cobre (CuxO). À medida que a superfície de cobre puro desaparece devido à oxidação, as duas superfícies de uma folha de Cu foram transformadas em duas interfaces Cu-CuxO após a pré-oxidação. Esta alteração mudou a força motriz do recozimento da energia de superfície para a energia de interface. "Nós provamos isso, ao contrário das energias de superfície, as diferenças das energias de interface de diferentes folhas de Cu são insignificantes, portanto, as folhas de Cu policristalino podem ser recozidas em muitos tipos diferentes de cristais únicos aleatoriamente. "explica o professor Feng Ding, o autor correspondente do estudo.

Um pequeno pedaço de folha foi então cortado de uma grande folha de cristal único com uma estrutura de superfície desejada como uma semente para produção em massa. A equipe de pesquisa descobriu que o recozimento de uma grande folha de Cu policristalino com tal semente levará a uma grande folha de Cu de cristal único com exatamente a mesma estrutura de superfície (Figura 2, estágio 2).

Grandes esforços teóricos e experimentais foram dedicados à compreensão de como essas folhas de Cu cristalino único foram formadas durante o recozimento. Esse processo pode ser compreendido em duas etapas. Primeiro, a estrutura da superfície da semente foi copiada para a parte inferior da grande folha de Cu policristalino e formou um grão anormal (um grão que é muito maior do que os outros e tem a vantagem de crescer ainda mais) com uma estrutura de superfície específica. Segundo, o crescimento do grão anormal finalmente resulta em uma folha de Cu monocristalino muito grande com a estrutura de superfície designada.

De centenas de experimentos de recozimento, a equipe de pesquisa obteve uma biblioteca de folhas monocristalinas de Cu com mais de 30 tipos de diferentes estruturas de superfície, como mostrado na Figura 3. As dimensões das folhas de Cu cristalino único obtidas alcançaram 39 * 21 cm ² , que era limitado pelo tamanho do forno de recozimento.

Além das folhas de cobre, os pesquisadores provaram que esta estratégia de crescimento semeado pode ser aplicada para fabricar folhas de cristal único de grandes áreas de outros metais, sugerindo que vários tipos de folhas de cristal único da maioria dos metais podem estar disponíveis em um futuro próximo. "Esta conquista demonstra um método prático para a síntese escalonável de folhas de cristal único de metal de transição extremamente grandes com diferentes tipos de superfície, que há muito tempo era desejado para aplicações de ciência fundamental e engenharia. Nossa conquista abre muitas possibilidades, tais como usar metais de cristal único como canais condutores em microdispositivos; usar essas folhas de metal de cristal único como modelos para a síntese controlável de vários materiais bidimensionais; crescer padrões moleculares de grande área com folhas de metal selecionadas; e catalisar seletivamente reações químicas em uma superfície de folha com uma estrutura específica, "observa o professor Kaihui Liu.

Em seguida, a equipe de pesquisa terá como objetivo compreender o mecanismo dessa semeadura liderada pela oxidação e do crescimento das sementes em nível atômico. Os esforços experimentais para sintetizar vários tipos de folhas metálicas de cristal único de diferentes metais ou ligas metálicas continuarão, bem como explorar amplas aplicações dessas folhas.

O estudo é publicado em Natureza .