Onderzoekers gebruiken nanomaterialen om bij kamertemperatuur 2D-diamantclusters te maken

Atoomdun, 2-D hexagonaal boornitride (h-BN) is een veelbelovend materiaal waarvan het proteïnevermogen om fasetransformaties te ondergaan tot sterke, superlichte, chemisch stabiele, oxidatiebestendige films, ideaal voor beschermende coatings, thermische nanotechnologie-toepassingen, diep -UV-lichtzenders, en nog veel meer.

De mogelijkheden die zijn belichaamd in verschillende polytypes van h-BN omvatten de ultraharde diamantfase, een kubische structuur (c-BN) met sterkte en hardheid op de tweede plaats na echte koolstofdiamanten. De sleutel tot het vervaardigen van dergelijke materialen is het vermogen om de transformatie tussen hun verschillende kristallijne fasen te induceren en te beheersen, op een manier die efficiënt en kosteneffectief genoeg is om schaalvoordelen mogelijk te maken.

Hoewel het synthetiseren van dergelijke materialen in hun ‘bulk’- of 3D-configuraties een enorme druk en hitte vereist, hebben onderzoekers van de NYU Tandon School of Engineering ontdekt dat h-BN in gelaagde, molecuul-dunne 2D-vellen een faseovergang kan hebben naar c- BN bij kamertemperatuur.

In een nieuwe studie produceerde een team onder leiding van Elisa Riedo, hoogleraar Chemische en Biomoleculaire Engineering aan de NYU Tandon, en in samenwerking met Remi Dingreville van het Centrum voor Nanotechnologieën van Sandia National Laboratories, experimenten en simulaties met behulp van een nanoscopische punt die atomair dun werd gecomprimeerd, 2-D h-BN-lagen om te laten zien hoe deze fase-overgangen bij kamertemperatuur plaatsvinden en hoe ze te optimaliseren, deels door het aantal lagen in de h-BN dunne film te variëren.

Het onderzoek, “Door druk veroorzaakte vorming en mechanische eigenschappen van 2-D diamantboornitride”, waarvan de auteurs onder meer Angelo Bongiorno, hoogleraar scheikunde aan de City University of New York; Filippo Cellini, voormalig postdoc in Riedo’s PicoForce Lab aan de NYU Tandon; Elton Chen van Sandia National Labs; Ryan L. Hartman, een universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire techniek aan NYU Tandon; en Francesco Lavini en Filip Popovic, Ph.D. studenten in het laboratorium van Riedo, verschijnt als het omslagartikel in Deel 8, Nummer 2 van het tijdschrift Geavanceerde wetenschap.

“Wanneer BN zich in de diamantfase bevindt, nemen de hardheid en stijfheid dramatisch toe, en is in feite bijna net zo hard als een traditionele koolstofdiamant met een verbeterde thermische en chemische stabiliteit”, zei Riedo, “maar het kan normaal niet in de natuur worden gevonden. Vorming van kubisch boornitride moet in een laboratorium worden uitgevoerd. Dus gingen we op zoek naar de fysica en het begrip van faseovergang van hexagonaal naar kubisch boornitride in het speciale geval van films die atomair dun zijn. “

Lavini legde uit dat het werk het uitoefenen van druk omvatte op atomair dunne h-BN-films met een aantal atomaire lagen van één tot tien, met behulp van een atomic force microscope (AFM). Om de omvang van de faseovergang van zeshoekige naar kubische kristallijne structuur te testen, past de AFM nanoscopische puntsonde tegelijkertijd druk toe en meet de materiaalelasticiteit.

“Een hoge mate van stijfheid toont de faseovergang naar diamantkristalstructuur aan. Dit is cruciaal omdat het niet duidelijk was voordat die faseovergang zelfs bij kamertemperatuur kon plaatsvinden”, legt hij uit. “Omdat de hele fysica van faseovergangen anders is in een 2-D ‘universum’, ontdekken en herdefiniëren we enkele fundamentele materiaalregels. In deze toestand is bijvoorbeeld de energiebarrière voor de transformatie van hexagonale naar kubische fase veel kleiner.”

De experimenten en simulaties lieten ook de optimale dikte zien om de overgang naar c-BN te bereiken: de onderzoekers observeerden helemaal geen fasetransformatie in mono-layer h-BN-films, terwijl bi-layer en drielaagse films 50% toename in stijfheid vertoonden wanneer druk werd uitgeoefend door de nanoscopische tip, een proxy voor de h-BN-naar-c-BN faseovergang. Boven drie lagen zagen de onderzoekers een afnemende mate van diamantfaseovergang.

Door middel van simulaties – beschreven in de studie – ontdekten de medewerkers ook heterogeniteit in de faseovergang: in plaats van dat de spontane verandering in c-BN gelijkmatig onder druk optrad, ontdekten ze dat diamanten zich in clusters vormden en uitzetten. Ze merkten ook op dat hoe groter het aantal lagen h-BN, hoe kleiner het aantal diamantclusters.

Riedo legde uit dat de voordelen van 2-D BN-diamanten ten opzichte van 2-D-koolstofdiamanten (ook bekend als diamene) het aanpassingsvermogen en potentiële fabricagevoordelen zijn. “Onlangs hebben we ontdekt dat het mogelijk is om diamene-vorming uit grafeen te induceren, maar er zijn specifieke soorten substraten of chemicaliën vereist, terwijl h-BN diamanten kan vormen op elk substraat in een omgevingsatmosfeer. Over het algemeen is het echt opwindend om de ontdekking van uitzonderlijke nieuwe eigenschappen in onder druk geïnduceerde diamantfasen in 2D-materialen “, zei ze.

Riedo zei dat de volgende fase zich zal richten op toegepast onderzoek, met meer grootschalige experimenten met mechanische weerstand voor specifieke toepassingen.