För det mänskliga ögat är skiktade kristaller efter osmotisk svullnad endast synliga som oklara, klumpade strukturer. Kredit:Chr. Wißler
Nanosheets är fint strukturerade tvådimensionella material och har stor potential för innovation. De är fixerade ovanpå varandra i skiktade kristaller, och måste först separeras från varandra så att de kan användas till exempel för att filtrera gasblandningar eller för effektiva gasbarriärer. Ett forskarlag vid University of Bayreuth har nu utvecklat en skonsam, miljövänlig process för denna svåra process av delaminering som till och med kan användas i industriell skala. Detta är första gången som en kristall från den tekniskt attraktiva gruppen zeoliter har gjorts användbar för ett brett område av potentiella tillämpningar.
Delamineringsprocessen som utvecklats i Bayreuth under ledning av prof. Dr. Josef Breu kännetecknas av det faktum att strukturerna hos nanoark isolerade från varandra förblir oskadade. Den har också fördelen att den kan användas vid normal rumstemperatur. Forskarna presenterar sina resultat i detalj i Science Advances .
De tvådimensionella nanoskivorna, som ligger ovanpå varandra i skiktade kristaller, hålls samman av elektrostatiska krafter. För att de ska kunna användas för tekniska tillämpningar måste de elektrostatiska krafterna övervinnas och nanoskivorna lossas från varandra. En metod som är särskilt lämplig för detta är osmotisk svällning, där nanoskivorna tvingas isär av vatten och molekylerna och jonerna lösta i det. Hittills har det dock bara varit möjligt att applicera det på ett fåtal typer av kristaller, inklusive vissa lermineraler, titanater och niobater. För gruppen av zeoliter, vars nanoskivor är mycket intressanta för produktion av funktionella membran på grund av deras silikatinnehållande fina strukturer, har mekanismen för osmotisk svällning dock ännu inte varit tillämplig.
Felix Uhlig M.Sc., medförfattare till studien, framför en röntgendiffraktometer som användes för att undersöka nanoarken. Kredit:Chr. Wißler
Bayreuth-forskargruppen har nu – för första gången i tvärvetenskapligt samarbete – hittat ett sätt att använda osmotisk svullnad för den skonsamma separationen av ileritkristaller, som tillhör gruppen zeoliter. I processen sätts först stora sockermolekyler in i de smala utrymmena mellan nanoarken. Därefter separeras nanoarken, som staplas ovanpå varandra och strukturellt inriktade, av vatten. I processen blir deras avstånd betydligt större. Nu kan nanoskivorna skjutas längre isär horisontellt i olika riktningar:Vid efterföljande torkning skapas en fast yta som är sammansatt av många nanoark. Dessa är staplade som spelkort, överlappar endast i kanterna och lämnar bara några luckor. Diametern på de enskilda nanoarken är cirka 9 000 gånger större än deras tjocklek.
Detta öppnar nu för möjligheten att fästa ett större antal sådana ytor ovanpå varandra och bygga upp nya skiktade material. Poängen med denna process är att nanostrukturerna på ytorna i det nya materialet är förskjutna från varandra. Följaktligen är deras luckor inte exakt ovanpå varandra, så att molekyler, joner eller till och med ljussignaler inte kan penetrera det nya materialet direkt. Denna labyrintiska övergripande struktur möjliggör ett brett spektrum av potentiella tillämpningar, till exempel i förpackningar som används för att hålla maten färsk, i komponenter för optoelektronik och möjligen även i batterier. + Utforska vidare
