Efter isoleringen av grafen 2004, en ras började syntetisera nya tvådimensionella material. Dessa är enskiktiga ämnen med en tjocklek på mellan en atom och några nanometer (miljarddelar av en meter). De har unika egenskaper kopplade till deras reducerade dimensionalitet och spelar en nyckelroll i utvecklingen av nanoteknik och nanoteknik.

En internationell grupp av forskare, inklusive brasilianska forskare anslutna till University of Campinas (UNICAMP), har lyckats ta fram ett nytt material med dessa egenskaper.

Forskarna extraherade ett 2D-material som de kallar hematen från vanlig järnmalm. Materialet är bara tre atomer tjockt och tros ha förbättrade fotokatalytiska egenskaper. Denna innovation beskrivs i en artikel publicerad i Naturens nanoteknik .

"Materialet vi syntetiserade kan fungera som en fotokatalysator för att dela vatten till väte och syre, så att el kan genereras från väte, bland flera andra potentiella tillämpningar, " sa Douglas Soares Galvão, en av författarna till studien och medansvarig utredare vid CCES.

Det nya materialet exfolierades från hematit, ett av de vanligaste mineralerna på jorden och den huvudsakliga källan till järn, vilken är den billigaste metallen, används i många produkter och framför allt för att tillverka stål.

Till skillnad från kol och dess 2D-form grafen, hematit är ett icke-van der Waals-material, vilket innebär att det hålls samman av 3D-bindningsnätverk snarare än av icke-kemiska och jämförelsevis svagare atomära van der Waals-interaktioner, som är icke-kovalenta (de involverar inte delning av ett eller flera elektronpar av atomerna som deltar i bindningen).

Eftersom det är ett naturligt förekommande mineral, har högt orienterad, stora kristaller och är ett icke-van der Waals-material, forskarna tror att hematit är en utmärkt föregångare för exfoliering av nya 2D-material.

"De flesta av de 2-D-material som syntetiserats hittills härrörde från prover av van der Waals fasta ämnen. Icke-van der Waals 2-D-material med högt ordnade atomlager och stora korn är fortfarande sällsynta, " sa Galvão.

Hematen syntetiserades genom vätskefasexfoliering av hematitmalm i ett organiskt lösningsmedel, N, N-dimetylformamid (DMF). Transmissionselektronmikroskopi bekräftade exfolieringen och bildningen av hematen i enstaka ark med en tjocklek av endast tre järn- och syreatomer (monolager) och i slumpmässigt staplade dubbelskiktsark.

Tester och matematiska beräkningar utfördes för att studera hematens magnetiska egenskaper. Resultaten visade att de skilde sig från hematits magnetiska egenskaper. Medan naturlig hematit är antiferromagnetisk, hematen är ferromagnetiskt, som en vanlig magnet. I ferromagneter, dipolerna är parallella och inriktade i samma riktning. I antiferromagneter, dipolerna är antiparallella och inriktade i motsatta riktningar.

"I ferromagneter, atomernas magnetiska moment pekar i samma riktning. I antiferromagneter, momenten i intilliggande atomer växlar, " förklarade Galvão.

Effektiv fotokatalysator

Forskarna analyserade också hematenes fotokatalytiska egenskaper - dess förmåga att öka hastigheten på en kemisk reaktion när den aktiveras av ljus. Resultaten visade att fotokatalys med hematen är effektivare än fotokatalys med hematit, vars fotokatalytiska egenskaper är välkända men inte tillräckligt starka för att vara användbara.

För att ett material ska vara en effektiv fotokatalysator, den måste absorbera den synliga delen av solljus, generera en elektrisk laddning, och transportera det till ytan av materialet för att utföra den önskade reaktionen.

Hematit absorberar solljus från den ultravioletta till den gul-orange regionen, men laddningen den producerar är mycket kortlivad. Som ett resultat, det bleknar innan det når ytan.

Hematenfotokatalys är mer effektiv eftersom fotoner genererar både negativa och positiva laddningar inom några få atomer på ytan, sa forskarna. Genom att para ihop det nya materialet med titandioxid nanorörsuppsättningar, som ger en enkel väg för elektroner att lämna hematen, forskarna fann att de kunde tillåta mer synligt ljus att absorberas.

"Hematen kan vara en effektiv fotokatalysator, speciellt för att dela vatten till väte och syre, och kan också fungera som ett ultratunt magnetiskt material för spintronikbaserade enheter, " sa FAPESP RIDC-forskaren. Spintronics (eller magnetoelectronics) är en ny teknik som används för att lagra, visa och bearbeta information baserad på förändringar som orsakas av en elektrons spinn, som är direkt kopplad till dess magnetiska moment.

Gruppen har undersökt andra icke-van der Waals-material för deras potential att ge upphov till andra 2-D-material med exotiska egenskaper. "Det finns ett antal andra järnoxider och derivat därav som är kandidater för att skapa nya 2D-material, " sa Galvão.