Forskare från Tokyo Metropolitan University har kommit på ett nytt sätt att rulla atomärt tunna ark av atomer till "nanoscrolls". Deras unika tillvägagångssätt använder dikalkogenidskivor av övergångsmetall med olika sammansättning på båda sidor, vilket skapar en tät rulle som ger rullar ner till fem nanometer i diameter i mitten och mikrometer i längd. Kontroll över nanostrukturen i dessa rullar lovar ny utveckling inom katalys och solcellsutrustning.
Nanoteknik ger oss nya verktyg för att kontrollera strukturen av material i nanoskala, och lovar en hel nano-verktygsuppsättning för ingenjörer att skapa nästa generations material och enheter.
I spetsen för denna rörelse har ett team under ledning av docent Yasumitsu Miyata vid Tokyo Metropolitan University studerat sätt att kontrollera strukturen hos övergångsmetalldikalkogenider (TMDC), en klass av föreningar med ett brett utbud av intressanta egenskaper, såsom flexibilitet , supraledning och unik optisk absorbans.
I deras senaste arbete, publicerat i ACS Nano de siktar på nya sätt att göra nanoscrolls, nanosheets rullade upp till täta scrollliknande strukturer. Detta är ett attraktivt tillvägagångssätt för att göra flerväggiga strukturer:eftersom strukturen för varje ark är densamma, är orienteringarna för enskilda lager inriktade med varandra. Men de två befintliga sätten att göra nanoscrolls har betydande problem.
I det ena, att ta bort svavelatomer från ytan av nanoskivan skapar förvrängningar som gör att arket rullar upp; men genom att göra det förstör de arkets kristallstruktur. I den andra införs ett lösningsmedel mellan nanoarket och substratet, vilket lossar arket från basen och tillåter bildandet av defektfria nanoscrolls. Emellertid tenderar rörformiga strukturer gjorda som denna att ha stora diametrar.
Istället för tillvägagångssätt som detta har teamet kommit på ett nytt sätt att få lakan att rulla upp. Med utgångspunkt från ett monoskikt av molybdenselenid-nanoskikt, behandlade de nanoskiktet med en plasma och ersatte selenatomerna på ena sidan med svavel; sådana strukturer kallas Janus nanosheets, efter den urgamla guden med två ansikten. Varsam tillsats av ett lösningsmedel lossar sedan arken från basen, som sedan spontant rullar till rullar på grund av asymmetrin mellan sidorna.
Dessa nya nanoscrolls är flera mikrometer långa, betydligt längre än tidigare tillverkade enkelväggiga TMDC nanosheets. Dessutom visade sig de vara mer tätt rullade än någonsin tidigare, med ett centrum ner till fem nanometer i diameter, vilket motsvarar teoretiska förväntningar. Rullarna visade sig också interagera starkt med polariserat ljus och ha väteproducerande egenskaper.
Med oöverträffad kontroll över nanostrukturen, utgör teamets nya metod grunden för att studera nya tillämpningar av TMDC nanoscrolls till katalys och solcellsenheter.
Mer information: Masahiko Kaneda et al, Nanoscrolls of Janus Monolayer Transition Metal Dichalcogenides, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c05681
Tillhandahålls av Tokyo Metropolitan University
