Forskare vid Penn State, Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory och Lockheed Martin Space Systems Company har utvecklat metoder för att kontrollera defekter i tvådimensionella material, som grafen, som kan leda till förbättrade membran för avsaltning av vatten, energilagring, avkännande eller avancerade skyddande beläggningar.

För en tvådimensionell, en atomtjockt material som grafen, defekter som små sprickor eller hål kan göra stor skillnad i prestanda. Vanligtvis, dessa defekter anses vara oönskade. Men om defekterna kan kontrolleras, de kan användas för att konstruera nya, önskvärda egenskaper i materialet.

"Så länge du kan kontrollera defekter, du kanske kan syntetisera i vilket svar grafenet än ger dig, säger Adri van Duin, motsvarande författare på en ny artikel i American Chemical Societys tidskrift ACS Nano . "Men det kräver att du har mycket god kontroll över defektstruktur och defektbeteende. Det vi har gjort här är ett ganska starkt steg mot det."

van Duin är meduppfinnaren och huvudutvecklaren av en matematisk modellerings- och simuleringsteknik som kallas ReaxFF, som är kapabel att förutsäga interaktioner mellan tusentals atomer när de störs av en yttre kraft, i detta fall bombardementet av grafen med atomer av en ädelgas.

Ädelgaserna, som inkluderar helium, neon, argon, krypton och xenon, används ofta för att skapa defekter i grafen i syfte att förbättra dess egenskaper. Genom att slå ut en eller flera kolatomer ur grafens sammanlänkade hexagoner, en struktur som påminner om kycklingnät, det resulterande hålet kan fyllas av atomer av ett annat material eller molekyl i en process som kallas dopning. Dopning kan förändra grafens kemiska eller elektriska egenskaper, till, till exempel, tillåta vattenmolekyler att flöda igenom samtidigt som de stöter bort saltpartiklar.

"Vi har gjort en serie simuleringar i atomistisk skala där vi accelererar ädelgasjoner till grafenet. Simuleringarna gav ungefär samma defektmönster som experiment, ", säger van Duin. "Det betyder att våra simuleringar kan berätta för experimentalister vilken dos av atomer vid vilken acceleration de behöver för att få dessa typer av defekter."

Eftersom defekter kan förvandlas till olika former eller flytta runt i sekunderna efter skapandet, hans grupp simulerar också att placera grafen i en ugn och värma upp vid hög temperatur, kallas glödgning, för att stabilisera strukturen.

Det är ovanligt att en atomistisk simulering motsvarar samma storlek, tid och exponeringsintervall som ett experiment, på grund av beräkningskostnaden för att göra interaktioner mellan tusentals atomer över den tidsskala som krävs för att stabilisera ett material, säger van Duin. Metoden för reaktiva kraftfält (ReaxFF), utvecklad av van Duin och CalTechs William A. Goddard, kan modellera kemiska och fysikaliska interaktioner i molekyler och material när bindningar mellan atomer bildas och bryts.

Kichul Yoon, tidningens huvudförfattare och en doktorand i van Duins grupp, säger, "Denna studie ger insikt i detaljerna i atomistisk skala av grafenbestrålning och är ett preliminärt steg i att designa funktionaliserade kolmaterial i två dimensioner."

van Duin tillägger, "Det är klart att det inte finns något som gör detta exklusivt för grafen. Alla 2D-material kan behandlas med samma simuleringar. Alla som vill dopa ett 2D-material eller förstå defekter kommer att vara intresserade av dessa simuleringar."

Forskarna har för avsikt att fortsätta arbeta med Lockheed Martin om flygtillämpningar och kommer också att sträva efter grafenbaserad vattenavsaltning. Jacob Swett från Lockheed Martin förberedde proverna som användes i experiment och var avgörande för att driva projektet framåt.

För att korrelera simuleringar med experiment, forskarna förlitade sig på Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), en DOE Office of Science User Facility på ORNL, att skapa defekter med hjälp av jonbombardement och därefter karakterisera dessa defekter med hjälp av atomupplösningsavbildning. "På CNMS, vi har toppmoderna helium- och neonjonstråle- och aberrationskorrigerade scanningstransmissionselektronmikroskopiinstrument som tillåter karakterisering av atomistisk skala, " säger Raymond Unocic, en forsknings- och utvecklingsforskare vid Oak Ridge National Laboratory.