(a) Schematiska ritningar av provberedningsförfarandena. (b) (i) Cryo-EM-bild av Ca-Cl-kristallerna i det ultratunna reducerade grafenoxid (rGO) -membranet. (ii) diffraktionsmönster för en typisk kristallstruktur med cryo-EM i elektrondiffraktionsläge. (iii) Fouriertransform av hela ljusfältbilden som visar samma sexkantiga galler som i (ii). (c) Atomförhållande mellan Ca och Cl som en funktion av etsningstiden mätt med XPS under etsning med argonjon för ett prov av det torkade Ca-Cl@rGO-membranet. (d) En stabil struktur från molekylmodellen I av CaCl -kristallmoduler adsorberade på grafenark från teoretiska beräkningar. (e) Elektrisk resistivitet mätt med multimetern med två elektroder som ansluter till upp- och nedåtytorna på de torkade rGO- och GO -membranen, respektive. (f) ferromagnetism vid rumstemperatur för det torkade Ca-Cl@rGO-membranet. (g) Heterojunction-beteende hos det torkade Ca-Cl@rGO-membranet. (h) Piezoelektricitetsliknande egenskap hos det torkade Ca-Cl@rGO-membranet under omgivande förhållanden. Upphovsman:Science China Press
Kalciumjoner finns i bergarter, ben, skal, biomineraler, geologiska fyndigheter, havssediment, och många andra viktiga material. Kalciumjoner spelar också en viktig roll för kvarhållning av koldioxid i naturligt vatten, vattenhårdhet, signaltransduktion och vävnadsgenerering. Som en av jordalkalimetallerna, kalciumatomen har två valenselektroner enligt oktettregeln. Tills nu, det enda kända valenstillståndet för kalciumjoner under omgivande förhållanden är +2, och motsvarande kristaller med kalciumjoner är isolerande.
Genom att använda kryo-elektronmikroskopi, forskare rapporterade direkt observation av tvådimensionella (2-D) CaCl-kristaller på reducerade grafenoxid (rGO) -membran under omgivande förhållanden, som endast uppvisar envärda (dvs +1) kalciumjoner. Anmärkningsvärt, metalliska snarare än isolerande egenskaper visas av dessa 2-D CaCl-kristaller, och mer intressant, rumstemperatur ferromagnetism, resulterade grafen-CaCl heterojunction, samexistens av piezoelektricitet och metallicitet, tillsammans med den distinkta väteförvarings- och frigöringsförmågan under omgivande förhållanden demonstreras experimentellt.
Det bör noteras att konventionellt sett metalliska material uppvisar i allmänhet ingen piezoelektricitet. Sådant oväntat piezoelektricitetsliknande beteende hos de metalliska CaCl-kristallerna induceras av den onormala 2-D CaCl-strukturen att strukturen är metallisk på grund av monovalent beteende hos Ca-jonerna å ena sidan, och å andra sidan har strukturen två element (Ca och Cl) med olika elektriska effekter under tryck- eller dragkraft. Därför, 2-D CaCl-kristallerna är ett nytt material som har både metallisk karaktär och piezoelektrisk egenskap, och kommer att ha nya tillämpningar som transistorer ner till atomskala och i nanotransistoranordningar.
Såvitt vi vet, rumstemperatur ferromagnetism har aldrig observerats för ett huvudgruppsmetallelement. Teoretisk studie avslöjar att det möjliga ursprunget för sådan rumstemperatur-ferromagnetism är kanten eller defekteffekterna av CaCl-kristallerna, där det finns en oparad valenselektron i Ca+, då förväntas det att varje metallelement har rumstemperatur ferromagnetism genom att de bildar motsvarande onormala 2-D-kristaller.
Teoretiska studier visar att bildandet av en sådan onormal kristall tillskrivs Ca-katjonernas starka katjon-π-interaktion med de aromatiska ringarna i grafenytorna. Eftersom starka katjon-π-interaktioner också existerar mellan andra metallkatjoner (såsom Mg 2+ , Fe 2+ , Co 2+ , Cu 2+ , CD 2+ , Cr 2+ och Pb 2+ ) och grafitiska ytor, liknande kristaller med onormal valens av andra metallkatjoner förväntas.
Dessa fynd presenterar inte bara ett genombrott i 2-D-kristaller med onormalt katjon-anjonförhållande, ny valens av katjoner, och oväntad konduktivitet, men också tillhandahålla spännande verk i material, biologisk, kemiska och fysiska tillämpningar. Egenskaperna och beteendet hos 2-D-kristaller bryter med allmän kunskap om detta mycket spridda element i det dagliga livet, och de kommer definitivt att locka uppmärksamhet och snabb eftertanke om dess spännande applikationer inom olika områden.
Dessa egenskaper och beteenden hos 2-D-kristallerna kommer också att kraftigt expandera applikationerna för den funktionaliserade grafen. Ytterligare, med tanke på den stora spridningen av metallkatjoner och kol på jorden, sådana "speciella" föreningar i nanoskala med tidigare okända egenskaper kan ha allestädes närvarande natur.