p Cientistas do Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia, induziram um material bidimensional a se canibalizar para formar "blocos de construção" atômicos a partir dos quais se formaram estruturas estáveis. p As evidências, relatado em Nature Communications , fornecem insights que podem melhorar o design de materiais 2-D para dispositivos eletrônicos e de armazenamento de energia de carregamento rápido.

p "Sob nossas condições experimentais, átomos de titânio e carbono podem formar espontaneamente uma camada atomicamente fina de carboneto de metal de transição 2-D, que nunca foi observado antes, "disse Xiahan Sang do ORNL.

p Ele e Raymond Unocic do ORNL lideraram uma equipe que realizou experimentos in situ usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura (STEM) de última geração, combinado com simulações baseadas em teoria, para revelar os detalhes atomísticos do mecanismo.

p "Este estudo é sobre como determinar os mecanismos de nível atômico e cinética que são responsáveis ​​pela formação de novas estruturas de um carboneto de metal de transição 2-D de modo que novos métodos de síntese possam ser realizados para esta classe de materiais, "Unocic acrescentou.

p O material de partida era uma cerâmica 2-D chamada MXene (pronuncia-se "max een"). Ao contrário da maioria das cerâmicas, MXenes são bons condutores elétricos porque são feitos de camadas atômicas alternadas de carbono ou nitrogênio imprensadas em metais de transição como o titânio.

p A pesquisa foi um projeto da Fluid Interface Reactions, Centro de Estruturas e Transporte (FIRST), um DOE Energy Frontier Research Center que explora reações de interface fluido-sólido que têm consequências para o transporte de energia em aplicações diárias. Os cientistas realizaram experimentos para sintetizar e caracterizar materiais avançados e realizaram trabalhos de teoria e simulação para explicar as propriedades estruturais e funcionais observadas dos materiais. Novos conhecimentos de projetos FIRST fornecem diretrizes para estudos futuros.

p O material de alta qualidade usado nesses experimentos foi sintetizado por cientistas da Drexel University, na forma de flocos monocamada de cristal único de cinco camadas de MXene. Os flocos foram retirados de um cristal pai chamado "MAX, "que contém um metal de transição denotado por" M "; um elemento como alumínio ou silício, denotado por "A"; e um átomo de carbono ou nitrogênio, denotado por "X." Os pesquisadores usaram uma solução ácida para decapar as camadas monoatômicas de alumínio, esfoliar o material e delaminar em monocamadas individuais de carboneto de titânio MXene (Ti3C2).

p Os cientistas do ORNL suspenderam um grande floco MXene em um chip de aquecimento com orifícios perfurados para que nenhum material de suporte, ou substrato, interferiu com o floco. Sob vácuo, o floco suspenso foi exposto ao calor e irradiado com um feixe de elétrons para limpar a superfície do MXene e expor totalmente a camada de átomos de titânio.

p MXenes são tipicamente inertes porque suas superfícies são cobertas com grupos funcionais de proteção - oxigênio, átomos de hidrogênio e flúor que permanecem após a esfoliação ácida. Depois que os grupos de proteção são removidos, o material restante é ativado. Defeitos em escala atômica - "vacâncias" criadas quando os átomos de titânio são removidos durante o ataque químico - são expostos na camada externa da monocamada. "Essas vagas atômicas são bons locais de iniciação, ", Disse Sang." É favorável que os átomos de titânio e carbono se movam dos locais defeituosos para a superfície. "Em uma área com defeito, um poro pode se formar quando os átomos migram.

p "Assim que esses grupos funcionais forem eliminados, agora você fica com uma camada de titânio nua (e por baixo, carbono alternado, titânio, carbono, titânio) que é livre para reconstruir e formar novas estruturas sobre as estruturas existentes, "Sang disse.

p Imagens STEM de alta resolução provaram que os átomos se moviam de uma parte do material para outra para construir estruturas. Porque o material se auto-alimenta, o mecanismo de crescimento é canibal.

p "O mecanismo de crescimento é totalmente suportado pela teoria do funcional da densidade e simulações de dinâmica molecular reativa, abrindo assim possibilidades futuras de usar essas ferramentas teóricas para determinar os parâmetros experimentais necessários para sintetizar estruturas de defeitos específicos, "disse Adri van Duin, da Penn State.

p A maior parte do tempo, apenas uma camada adicional [de carbono e titânio] cresceu em uma superfície. O material mudou conforme os átomos construíram novas camadas. Ti3C2 se transformou em Ti4C3, por exemplo.

p “Esses materiais são eficientes no transporte iônico, que se adapta bem a aplicações de bateria e supercapacitor, ", Disse Unocic." Como o transporte iônico muda quando adicionamos mais camadas a folhas de MXene nanométricas? "Esta questão pode estimular estudos futuros.

p "Porque MXenes contendo molibdênio, nióbio, vanádio, tântalo, háfnio, cromo e outros metais estão disponíveis, há oportunidades para fazer uma variedade de novas estruturas contendo mais de três ou quatro átomos de metal em seção transversal (o limite de corrente para MXenes produzidos a partir de fases MAX), "Yury Gogotsi, da Drexel University, acrescentou." Esses materiais podem mostrar diferentes propriedades úteis e criar uma série de blocos de construção 2-D para o avanço da tecnologia. "

p No Centro de Ciências de Materiais Nanofásicos do ORNL (CNMS), Yu Xie, Weiwei Sun e Paul Kent realizaram cálculos da teoria dos primeiros princípios para explicar por que esses materiais cresceram camada por camada, em vez de formar estruturas alternativas, como quadrados. Xufan Li e Kai Xiao ajudaram a entender o mecanismo de crescimento, que minimiza a energia de superfície para estabilizar as configurações atômicas. Cientistas da Penn State conduziram simulações de campo de força reativa dinâmica em grande escala, mostrando como os átomos se reorganizaram nas superfícies, confirmando estruturas defeituosas e sua evolução conforme observado em experimentos.

p Os pesquisadores esperam que o novo conhecimento ajude outros a desenvolver materiais avançados e gerar estruturas úteis em nanoescala.

p O título do artigo é "Visão atomística in situ sobre os mecanismos de crescimento de carbonetos de metal de transição 2-D de camada única."