Ultrasnabb laserspektroskopi gör det möjligt att observera atomernas rörelse på deras naturliga tidsskala inom femtosekundersområdet, miljondels miljarddels sekund. Elektronmikroskopi, å andra sidan, ger atomär rumslig upplösning. Genom att kombinera elektroner och fotoner i ett instrument, gruppen av professor Peter Baum vid universitetet i Konstanz har utvecklat några av de snabbaste elektronmikroskopen för att få detaljerad insikt i material och deras dynamik vid ultimata upplösningar i både rum och tid.

I deras senaste publikation i ACS Nano , forskare från Baum-labbet har tillämpat denna teknik tillsammans med kollegor från ETH Zürich för att studera nya material - tvådimensionella molekylärt definierade ark som kallas MXenes - och gjort en överraskande upptäckt. Med hjälp av laserpulser, MXenes kan växlas upprepade gånger mellan en platt och en krusad form, öppnar upp ett brett spektrum av möjliga tillämpningar.

MXenes:nya tvådimensionella material

MXener är tvådimensionella plåtar av övergångsmetallkarbider eller nitrider i form av några atomtjocka enkelskikt. "MXener är jämförbara med en molekyl i en rumslig dimension och med en utsträckt fast substans i de andra två, "Dr Mikhail Volkov, första författaren till den senaste studien, beskriver strukturen för MXenes. MXener syntetiseras genom att "skala bort" de tunna lagren av material från ett prekursormaterial - en process som kallas exfoliering.

Till skillnad från de flesta andra enskiktsmaterial, MXenes kan enkelt produceras i stora mängder, tack vare upptäckten av en skalbar och irreversibel kemisk exfolieringsmetod. De kemiska och fysikaliska egenskaperna hos MXenes kan ställas in i stor utsträckning genom valet av övergångsmetall, leder till utbredda tillämpningar av MXenes inom avkänning, energilagring, lätt skörd, och antibakteriell verkan.

Nanovågor i MXener bildade av snabbt ljus

I deras studie, primärutredarna Dr. Mikhail Volkov från University of Konstanz och Dr. Elena Willinger från ETH Zürich har hittat ett nytt sätt att förbättra egenskaperna hos MXenes genom att lysa snabba ljuspulser på dem. Använder ultrasnabb elektronmikroskopi med atomär rumslig upplösning, de spelade in en film av MXener som interagerar med femtosekundlaserpulser, visar att laserenergin överförs till atomgittret på en rekordtid på bara 230 femtosekunder.

Oväntat, forskarna fann också att femtosekundlaserljus kan användas för att växla fram och tillbaka mellan den ursprungligen plana ytstrukturen hos MXene och en nanovågform av materialet - ett "nanolandskap" i kullar och dalgångar med en periodicitet som är mer än femtio gånger finare än laservåglängden. "Vi kan styra nanovågens orientering med laserns polarisering, vilket innebär att materialet har ett optiskt minne på nanoskala.

Dessutom, om lasern slår igen, den nanovågade MXene förvandlas tillbaka till ett plan och förblir platt under belysning. Den extremt lilla storleken på nanovågorna och den snabba gitterreaktionen är också ganska överraskande, och ett fenomen som kallas plasmon-fonon-koppling är sannolikt involverat, " förklarar Volkov.

Nanovågor som ökar materialets prestanda

"Nanostrukturering i form av vågor ökar också förhållandet mellan yta och volym av materialen, gör dem kemiskt mer reaktiva. Dessutom, det förstärker de lokala elektromagnetiska fälten, förbättra kopplingen med ljus - en värdefull egenskap för avkänningstillämpningar, " säger Volkov. Forskarna förväntar sig därför att de upptäckta nanovågade MXenerna ska visa förbättrad energilagringskapacitet och förbättrad katalytisk eller antibiotikaaktivitet. "Slutligen, möjligheten att växla strukturen för MXenes mellan plan och vågig "on demand" via en laserpuls öppnar spännande sätt att använda materialen i aktiv plasmonisk, kemiska och elektriska apparater, " avslutar Volkov.