Mitt i raserierna av världsomspännande forskning om atomärt tunna material som grafen, det finns ett område som har undgått varje systematisk analys – även om denna information kan vara avgörande för en mängd potentiella tillämpningar, inklusive avsaltning, DNA-sekvensering, och anordningar för kvantkommunikation och beräkningssystem.

Den saknade informationen har att göra med de små defekterna, eller "hål, " som bildas i dessa 2D-ark när några atomer saknas i materialets kristallgitter.

Nu har det problemet lösts av forskare vid MIT, som har tagit fram en katalog över de exakta storlekarna och formerna på hål som med största sannolikhet skulle observeras (i motsats till många fler som är teoretiskt möjliga) när ett givet antal atomer avlägsnas från atomgittret. Resultaten beskrivs i tidskriften Naturmaterial i en uppsats av doktoranden Ananth Govind Rajan, professorerna i kemiteknik Daniel Blankschtein och Michael Strano, och fyra andra vid MIT, Lockheed Martin Space, och Oxford University.

"Det har varit ett långvarigt problem inom grafenområdet, det vi kallar isomerkatalogiseringsproblemet för nanoporer, " säger Strano. För den som vill använda grafen eller liknande tvådimensionell, arkliknande material för applikationer inklusive kemisk separation eller filtrering, han säger, "vi behöver bara förstå vilka typer av atomära defekter som kan uppstå, " jämfört med det mycket större antalet som aldrig ses.

Till exempel, Blankschtein påpekar, genom att bara ta bort åtta sammanhängande kolatomer från den hexagonala kycklingtrådsliknande uppsättningen av atomer i grafen, det finns 66 olika möjliga former som det resulterande hålet kan ha. När antalet avlägsnade atomer ökar till 12, antalet möjliga former hoppar till 3, 226, och med 30 atomer borttagna, det finns 400 miljarder möjligheter – ett antal långt bortom alla rimliga möjligheter till simulering och analys. Men bara en handfull av dessa former finns faktiskt i experiment, så förmågan att förutsäga vilka som verkligen inträffar kan vara till stor nytta för forskare.

Att beskriva bristen på information om vilka typer av hål som faktiskt kan bildas, Strano säger, "Vad det gjorde, praktiskt taget, gör det en koppling mellan vad du kan simulera med en dator och vad du faktiskt kan mäta i labbet." Denna nya katalog över de former som faktiskt är möjliga kommer att göra sökandet efter material för specifika användningar mycket mer hanterbart, han säger.

Möjligheten att göra analysen förlitade sig på ett antal verktyg som helt enkelt inte var tillgängliga tidigare. "Du kunde inte ha löst det här problemet för 10 år sedan, " säger Strano. Men nu, med hjälp av verktyg inklusive kemisk grafteori, noggranna elektroniska strukturberäkningar, och högupplöst scanningstransmissionselektronmikroskopi, forskarna har tagit bilder av defekterna som visar de individuella atomernas exakta positioner.

Teamet kallar dessa hål i gittret "antimolekyler" och beskriver dem i form av formen som skulle bildas av atomerna som har tagits bort. Detta tillvägagångssätt ger, för första gången, ett enkelt och sammanhängande ramverk för att beskriva hela uppsättningen av dessa komplexa former. Tidigare, "om du pratade om dessa porer i materialet, det fanns inget sätt att identifiera" den specifika typen av hål som var inblandade, säger Govind Rajan. "När folk börjar skapa dessa porer oftare, det skulle vara bra att ha en namnkonvention" för att identifiera dem, han lägger till.

Denna nya katalog kan hjälpa till att öppna upp en mängd olika potentiella tillämpningar. "Defekter är både bra och dåliga, Strano förklarar. "Ibland vill man förhindra dem, "för att de försvagar materialet, men "andra gånger vill du skapa dem och kontrollera deras storlekar och former, "till exempel för filtrering, kemisk bearbetning, eller DNA-sekvensering, där endast vissa specifika molekyler kan passera genom dessa hål. En annan applikation kan vara kvantberäknings- eller kommunikationsenheter där hål av en specifik storlek och form är avstämda för att avge ljusfotoner med specifika färger och energinivåer.

Förutom deras inverkan på ett materials mekaniska egenskaper, hål påverkar elektroniska, magnetisk, och även optiska egenskaper, säger Govind Rajan.

"Vi tror att detta arbete kommer att utgöra ett värdefullt verktyg" för forskning om defekter i 2D-material, Strano förutspår, eftersom det kommer att tillåta forskare att hitta lovande typer av defekter istället för att behöva sortera igenom otaliga teoretiskt möjliga former "som du inte bryr dig om alls, eftersom de är så osannolika att de aldrig kommer att bildas."