Ända sedan forskare vid University of Manchester använde en bit tejp för att isolera, eller "exfoliera, "ett enda lager kol, känd som grafen, forskare har undersökt skapandet av och tillämpningar av tvådimensionella material för att utveckla teknologin på nya sätt. Forskare har teoretiserat om många olika typer av tvådimensionella material, men att producera dem, genom att isolera ett skikt i taget från en skiktad tredimensionell källa, ofta utgör en utmaning.

Salvador Barraza-Lopez, docent i fysik, och hans forskargrupp studerar 2D-material som kallas grupp IV monokalkogenider, som innehåller tennselenid, germaniumsulfid, tenn(II)sulfid, tenntellurid och tennselenid, bland andra.

I 3D-form, dessa material har många användbara egenskaper. Till exempel, de används för närvarande i solceller. Vissa grupp IV monokalkogenider är också ferroelektriska när de exfolieras ner till 2-D-gränsen, vilket innebär att de innehåller par av positiva och negativa laddningar som skapar ett makroskopiskt dipolmoment.

Medan vissa av dessa tvådimensionella material har odlats, ingen har framgångsrikt skalat bort ett stabilt tvådimensionellt lager från en grupp IV monokalkogenid. I ett färskt manuskript med titeln "Water Splits to Degrade Two-Dimensional Group-IV Monochalcogenides in Nanoseconds" och publicerat i Journal ACS Central Science , Barraza-Lopez förklarade en möjlig orsak till detta.

Barraza-Lopez sa att, även under de strängaste experimentella förhållanden, omgivande vattenmolekyler kan hittas nära dessa material. Och precis som dessa material, vatten har också en elektrisk dipol. Barraza Lopez förklarade att interaktionen mellan dipoler kan observeras under vanliga omständigheter:"Drycket av små pappersbitar med en kam som nyligen användes på torrt hår kan förklaras som effekten av ett inhomogent elektriskt fält i kammen som accelererar makroskopisk elektrisk dipoler i det där papperet i närheten, " han sa.

Taneshwor Kaloni, en före detta postdoktor i Barraza-Lopez labb, utförde datorberäkningar som emulerar monolager av dessa material som interagerar med vattenmolekyler vid rumstemperatur och omgivande tryck. Teamet visade att när vattenmolekyler är nära dessa material, de attraheras av dem. Denna attraktion skapar en enorm uppbyggnad av kinetisk energi, vilket leder till splittring av vattenmolekylerna, och destabiliserar 2D-materialen som ett resultat av denna kemiska reaktion. Barraza-Lopez förklarade att han blev förvånad över att höra att denna process skapade tillräckligt med energi för att dela vattenmolekyler, eftersom den kinetiska energin som krävs överstiger 70, 000 grader Celsius.

På ett sätt, svårigheten att exfoliera dessa material kan leda till en ny teknik för väteproduktion av tvådimensionella material, även om många ytterligare studier krävs för att uppnå ett sådant mål.