Forskare har syntetiserat bulkmaterial av van der Waals (vdW) vid nästan rumstemperatur (från rumstemperatur till 60°C), vilket avsevärt minskar energiförbrukningen som krävs för deras tillverkning med minst en storleksordning.
Bulk vdW-material är ett viktigt fokus för forskning eftersom de hålls samman av svaga vdW-krafter istället för starka kovalenta eller metalliska bindningar. Studien publiceras i Nature Materials .
Tidigare kunde bulk vdW-material, såsom grafit och hexagonal bornitrid, endast syntetiseras vid mycket höga temperaturer (>1 000°C). I denna studie, istället för att direkt sintra grafit- eller bornitridpartiklar vid så höga temperaturer, exfolierades partiklarna till tvådimensionella (2D) nanoark med mycket låg energiförbrukning. Därefter användes en formningsprocess vid 45°C (eller till och med vid rumstemperatur) för att omvandla dessa nanoark till mekaniskt robusta bulk-vdW-material.
Metoden gäller ett brett spektrum av 2D-material, inklusive MXene och övergångsmetalldikalkogenider. Dess låga tillverkningstemperatur möjliggör också ytprägling och in-situ formning, vilket är utmanande med högtemperatursintring på grund av termisk inducerad krympning och expansion. Dessutom underlättar de tillsatsfria vdW-materialen högtemperaturapplikationer där 2D-materialbaserade polymerkompositer misslyckas.
Detta resultat härrör huvudsakligen från vdW-interaktionen, vilket ger de tillverkade bulkmaterialen hög mekanisk hållfasthet. Aktivering av vdW-interaktionen kräver inte höga temperaturer utan snarare nanometer- eller subnanometerkontakt mellan intilliggande nanoark. Tunnheten och flexibiliteten hos 2D nanosheets gör dem lätta att flytta och deformera, vilket underlättar intim kontaktbildning.
Dessutom fann forskarna att vatten som adsorberas på nanoskivorna är ett kraftfullt "sintringshjälpmedel" som smörjer nanoarken för att ge bra inriktning. Det inneslutna vattnet desorberas sedan från nanoskivorna och försvinner från materialet på grund av nanoinneslutningseffekten, som stänger kapillären, vilket aktiverar vdW-interaktionen och resulterar i ett förtätat, starkt bulk-vdW-material.
"Denna process förenklar tillverkningen och minskar den höga energiförbrukningen i samband med bulkproduktion av vdW-material, erbjuder skalbarhet, och den kan också introducera innovativa metoder för vdW-materialdesign, som att hybridisera olika 2D-material, särskilt de som är instabila vid höga bearbetningstemperaturer," sa Prof. Su Yang, forskare vid Shenzhen International Graduate School of Tsinghua University (SIAT) och motsvarande författare till artikeln.
"Denna studie föreslår revolutionen till traditionella materialbearbetningsmetoder genom nanomaterialanvändning", säger professor Cheng Huiming från SIAT.
I teamet ingår forskare från SIAT vid den kinesiska vetenskapsakademin (CAS), Shenzhen International Graduate School vid Tsinghua University, Institute of Metal Research i CAS och University of Science and Technology i Kina i CAS.
Mer information: Jiuyi Zhu et al, Vattenmedierad förtätning nära rumstemperatur av bulk van der Waals-material från deras nanoark, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01840-0
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
