Ett team av Rice University-forskare kartlade hur fläckar av 2D-material rör sig i flytande ⎯ kunskap som kan hjälpa forskare att sätta ihop material i makroskopisk skala med samma användbara egenskaper som deras 2D-motsvarigheter.
"Tvådimensionella nanomaterial är extremt tunna - bara flera atomer tjocka - arkformade material", säger Utana Umezaki, en Rice-student som är huvudförfattare till en studie publicerad i ACS Nano . "De beter sig väldigt annorlunda än material vi är vana vid i det dagliga livet och kan ha riktigt användbara egenskaper:De tål mycket kraft, tål höga temperaturer och så vidare. För att dra nytta av dessa unika egenskaper måste vi hitta sätt att förvandla dem till material i större skala som filmer och fibrer."
För att bibehålla sina speciella egenskaper i bulkform måste ark av 2D-material vara korrekt uppriktade ⎯ en process som ofta sker i lösningsfasen. Risforskare fokuserade på grafen, som består av kolatomer, och hexagonal bornitrid, ett material med liknande struktur som grafen men sammansatt av bor- och kväveatomer.
"Vi var särskilt intresserade av hexagonal bornitrid, som ibland kallas "vit grafen" och som, till skillnad från grafen, inte leder elektricitet utan har hög draghållfasthet och är kemiskt resistent, säger Angel Martí, professor i kemi, bioteknik. , materialvetenskap och nanoteknik och ordförande för Rices kemiavdelning. "En av de saker som vi insåg är att diffusionen av hexagonal bornitrid i lösning inte var särskilt väl förstått.
"När vi konsulterade litteraturen fann vi faktiskt att samma sak gällde för grafen. Vi kunde inte hitta en redogörelse för diffusionsdynamik på enstaka molekylnivå för dessa material, vilket är det som motiverade oss att ta itu med detta problem."
Forskarna använde ett fluorescerande ytaktivt ämne, det vill säga glödande tvål, för att märka nanomaterialproverna och göra deras rörelse synliga. Videor av denna rörelse gjorde det möjligt för forskare att kartlägga provernas banor och bestämma förhållandet mellan deras storlek och hur de rör sig.
"Från vår observation hittade vi en intressant trend mellan hastigheten på deras rörelse och deras storlek," sa Umezaki. "Vi skulle kunna uttrycka trenden med en relativt enkel ekvation, vilket innebär att vi kan förutsäga rörelsen matematiskt."
Grafen visade sig röra sig långsammare i den flytande lösningen, möjligen på grund av att dess skikt är tunnare och mer flexibla än hexagonal bornitrid, vilket ger upphov till mer friktion. Forskare tror att formeln som härrör från experimentet skulle kunna användas för att beskriva hur andra 2D-material rör sig i liknande sammanhang.
"Att förstå hur diffusion i en begränsad miljö fungerar för dessa material är viktigt eftersom ⎯ om vi vill göra fibrer, till exempel ⎯ vi extruderar dessa material genom mycket tunna injektorer eller spinndysor," sa Martí. "Så det här är det första steget mot att förstå hur dessa material börjar monteras och bete sig när de är i den här begränsade miljön."
Som en av de första studierna för att undersöka hydrodynamiken hos 2D nanosheet-material, hjälper forskningen till att fylla ett tomrum på området och kan vara avgörande för att övervinna utmaningar för tillverkning av 2D-material.
"Vårt slutmål med att studera dessa byggstenar är att kunna generera makroskopiska material," sa Martí.
Anatoly Kolomeisky, professor i kemi och kemisk och biomolekylär teknik vid Rice, och Matteo Pasquali, A.J. Hartsook professor i kemi och biomolekylär teknik och professor i kemi och materialvetenskap och nanoteknik, är motsvarande författare till studien.
Mer information: Utana Umezaki et al, Brownsk spridning av Hexagonal Boron Nitride Nanosheets and Graphene in Two Dimensions, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c11053
Journalinformation: ACS Nano
Tillhandahålls av Rice University
