Studie onthult de belangrijkste dynamiek van 2D-nanomaterialen met het oog op productie op grotere schaal

Een team van onderzoekers van Rice University heeft in kaart gebracht hoe vlekjes 2D-materiaal bewegen in vloeibare ⎯ kennis die wetenschappers zou kunnen helpen materialen op macroscopische schaal samen te stellen met dezelfde nuttige eigenschappen als hun 2D-tegenhangers.

“Tweedimensionale nanomaterialen zijn extreem dunne, slechts enkele atomen dikke, plaatvormige materialen”, zegt Utana Umezaki, een afgestudeerde Rice-student en hoofdauteur van het boek Een studie gepubliceerd in ACS Nano. “Ze gedragen zich heel anders dan materialen die we in het dagelijks leven gewend zijn en kunnen hele nuttige eigenschappen hebben: ze kunnen veel krachten weerstaan, hoge temperaturen weerstaan, enzovoort. Om van deze unieke eigenschappen te profiteren, moeten we manieren vinden om er materialen op grotere schaal van te maken, zoals films en vezels.”

Om hun bijzondere eigenschappen in bulkvorm te behouden, moeten platen van 2D-materiaal goed worden uitgelijnd ⎯ een proces dat vaak plaatsvindt in de oplossingsfase. Rijstonderzoekers concentreerden zich op grafeen, dat bestaat uit koolstofatomen, en hexagonaal boornitride, een materiaal met een vergelijkbare structuur als grafeen, maar samengesteld uit boor- en stikstofatomen.

“We waren vooral geïnteresseerd in hexagonaal boornitride, dat soms ‘wit grafeen’ wordt genoemd en dat, in tegenstelling tot grafeen, geen elektriciteit geleidt, maar een hoge treksterkte heeft en chemisch resistent is”, zegt Angel Martí, hoogleraar scheikunde, bio-engineering. , materiaalkunde en nano-engineering en voorzitter van de chemieafdeling van Rice. “Een van de dingen die we ons realiseerden is dat de diffusie van hexagonaal boornitride in oplossing niet erg goed werd begrepen.

“Toen we de literatuur raadpleegden, ontdekten we zelfs dat hetzelfde gold voor grafeen. We konden voor deze materialen geen verslag vinden van de diffusiedynamiek op het niveau van één molecuul, wat ons motiveerde om dit probleem aan te pakken.”

De onderzoekers gebruikten een fluorescerende oppervlakteactieve stof, oftewel gloeiende zeep, om de nanomateriaalmonsters te labelen en hun beweging zichtbaar te maken. Dankzij video’s van deze beweging konden onderzoekers de trajecten van de monsters in kaart brengen en de relatie bepalen tussen hun grootte en hoe ze bewegen.

“Uit onze observatie hebben we een interessante trend gevonden tussen de snelheid van hun beweging en hun grootte”, zei Umezaki. “We zouden de trend kunnen uitdrukken met een relatief eenvoudige vergelijking, wat betekent dat we de beweging wiskundig kunnen voorspellen.”

Grafeen bleek langzamer te bewegen in de vloeibare oplossing, mogelijk vanwege het feit dat de lagen dunner en flexibeler zijn dan hexagonaal boornitride, wat aanleiding geeft tot meer wrijving. Onderzoekers zijn van mening dat de uit het experiment afgeleide formule kan worden gebruikt om te beschrijven hoe andere 2D-materialen in vergelijkbare contexten bewegen.

“Het is belangrijk om te begrijpen hoe diffusie in een besloten omgeving werkt voor deze materialen, omdat ⎯ als we bijvoorbeeld vezels willen maken ⎯ we deze materialen extruderen via zeer dunne injectoren of spindoppen”, zegt Martí. “Dit is dus de eerste stap om te begrijpen hoe deze materialen zich beginnen te assembleren en zich gedragen wanneer ze zich in deze besloten omgeving bevinden.”

Als een van de eerste onderzoeken naar de hydrodynamica van 2D-nanosheetmaterialen, helpt het onderzoek een leemte in het veld op te vullen en zou het een belangrijke rol kunnen spelen bij het overwinnen van uitdagingen bij de fabricage van 2D-materiaal.

“Ons uiteindelijke doel bij het bestuderen van deze bouwstenen is om macroscopische materialen te kunnen genereren”, zei Martí.

Anatoly Kolomeisky, hoogleraar scheikunde en chemische en biomoleculaire technologie bij Rice, en Matteo Pasquali, de AJ Hartsook hoogleraar chemische en biomoleculaire technologie en hoogleraar scheikunde en materiaalkunde en nano-engineering, zijn corresponderende auteurs van het onderzoek.