Ända sedan upptäckten 2004, grafen-ett atomiskt tunt material med fantastisk styrka och elektriska egenskaper-har inspirerat forskare runt om i världen att designa nya 2-D-material för att tjäna ett brett spektrum av applikationer, från förnybar energi och katalysatorer till mikroelektronik.

Medan 2-D-strukturer bildas naturligt i material som grafen, vissa forskare har försökt att göra 2-D-material från halvledare som kallas övergångsmetalloxider:föreningar som består av syreatomer bundna till en övergångsmetall som kobolt. Men medan forskare länge vet hur man gör nanopartiklar av övergångsmetalloxider, ingen har hittat ett kontrollerbart sätt att odla dessa 3D-nanopartiklar till nanoskikt, som är tunna 2-D-material bara några atomer tjocka.

Nu, ett team av forskare som leds av Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har fått värdefull inblick i 3D-övergångsmetalloxid-nanopartiklarnas naturliga "kant" för 2-D-tillväxt. Deras resultat rapporterades i Naturmaterial .

Med hjälp av ett vätskefasöverföringselektronmikroskop (TEM) vid Berkeley Labs Molecular Foundry för experimenten, med-motsvarande författare Haimei Zheng och hennes team observerade direkt den dynamiska tillväxten av koboltoxid-nanopartiklar i en lösning, och deras efterföljande omvandling till ett platt 2-D-nanoskikt.

"En sådan 3-D till 2-D-transformation är ungefär som det vita av ett ägg som sprider sig när det steker i en panna, "sa Zheng, en senior personalvetare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning som ledde studien.

I tidigare studier har forskare hade antagit att endast två huvudfaktorer - bulk energi från volymen av nanopartiklar, och nanopartiklarnas ytenergi-skulle driva nanopartiklarnas tillväxt till en 3D-form, Zheng förklarade.

Ny energi kommer fram

Men beräkningar som leddes av den medförhörande författaren Lin-Wang Wang avslöjade en annan energi som tidigare hade förbises-kantenergi. På ett facetterat, rektangulär nanopartikel såsom en övergångsmetalloxid -nanopartikel, kanten av en fasett bidrar också med energi - i det här fallet positiv energi - mot nanopartikelns tillväxt och form. Men för att en övergångsmetalloxid-nanopartikel ska växa till ett 2-D-nanoskikt, ytanergin måste vara negativ.

"Och det är balansen mellan dessa två energier, ett negativt och ett positivt, som bestämmer formförändringen, "Sa Wang. För mindre nanopartiklar, positiv kant energi vinner, vilket leder till en kompakt 3D-form. Men när koboltoxid -nanopartiklarna blir större, de når slutligen en kritisk punkt där negativ ytenergi vinner, vilket resulterar i ett 2-D-nanoskikt, han förklarade. Wang, en senior personalvetare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, utförde beräkningarna för studien på superdatorer vid Berkeley Labs National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC).

Att avslöja dessa tillväxtvägar, inklusive 3-D-till-2-D-övergången, Zheng tillade, ger nya möjligheter för en strömlinjeformad design av exotiska nya material från föreningar vars oregelbundna atomstrukturer, såsom övergångsmetalloxider, är mer utmanande än grafen att syntetisera till flerskiktade 2-D-enheter.

Zheng och hennes team drog slutsatsen att studien inte kunde ha varit möjlig med ett konventionellt elektronmikroskop. Genom att använda flytande fas TEM vid Molecular Foundry, forskarna kunde studera tillväxten av atomiskt tunna material i lösning genom att inkapsla vätskeprovet i en specialdesignad vätskecell. Cellen förhindrade att provet kollapsade i elektronmikroskopets högvakuum.

"Det skulle vara omöjligt att känna till en sådan tillväxtväg utan denna in situ observation, "sa författaren Juan Yang, som var gästdoktor vid Berkeley Lab från Dalian University of Technology i Kina vid tidpunkten för studien. "Denna upptäckt kan omvandla vår framtida design av material med ytförbättrade egenskaper för katalys och avkänning av framtidens tillämpningar."

Nästa steg

Forskarna planerar därefter att fokusera på att använda flytande cell-TEM för att odla mer komplexa 2-D-material som heterostrukturer, som är som smörgåsar av skiktade material med olika egenskaper.

"Som en arkitekt som är inspirerad av det sätt på vilket en gammal jätte redwood har vuxit, materialforskare inspireras att designa allt mer komplexa strukturer för energilagring, "sa Zheng, som var föregångare i flytande cell-TEM på Berkeley Lab 2009. "Men varför växer de på det sättet? Vår styrka på Berkeley Lab är att vi kan studera dem på atomnivå och se dem växa i realtid och ta reda på vilka mekanismer som skulle bidra till utformningen av bättre material. "