Een keten van koper- en koolstofatomen kan de dunste metaaldraad zijn

Onderzoekers van het Laboratorium voor Theorie en Simulatie van Materialen van EPFL in Lausanne, onderdeel van de NCCR MARVEL, hebben computationele methoden gebruikt om te identificeren wat de dunst mogelijke metaaldraad zou kunnen zijn, evenals verschillende andere eendimensionale materialen met eigenschappen die interessant zouden kunnen zijn voor veel toepassingen.

Eendimensionale (of 1-D) materialen zijn een van de meest intrigerende producten van de nanotechnologie en zijn gemaakt van atomen die zijn uitgelijnd in de vorm van draden of buizen. Hun elektrische, magnetische en optische eigenschappen maken ze uitstekende kandidaten voor toepassingen variërend van micro-elektronica tot biosensoren en katalyse.

Hoewel koolstofnanobuisjes de materialen zijn die tot nu toe de meeste aandacht hebben gekregen, zijn ze zeer moeilijk te vervaardigen en te controleren gebleken. Daarom willen wetenschappers graag andere verbindingen vinden die kunnen worden gebruikt om nanodraden en nanobuisjes te maken met even interessante eigenschappen, maar die gemakkelijker zijn. ermee omgaan.

Dus dachten Chiara Cignarella, Davide Campi en Nicola Marzari computersimulaties te gebruiken om bekende driedimensionale kristallen te ontleden, op zoek naar kristallen die – op basis van hun structurele en elektronische eigenschappen – eruitzien alsof ze gemakkelijk kunnen worden ‘geëxfolieerd’, waardoor ze in wezen loskomen van de kristallen. ze een stabiele 1-D-structuur. Dezelfde methode is in het verleden met succes gebruikt om 2D-materialen te bestuderen, maar dit is de eerste toepassing op hun 1D-tegenhangers.

De onderzoekers gingen uit van een verzameling van ruim 780.000 kristallen, afkomstig uit verschillende databases uit de literatuur en bij elkaar gehouden door van der Waals-krachten, het soort zwakke interacties die plaatsvinden wanneer atomen zo dichtbij zijn dat hun elektronen elkaar kunnen overlappen. Vervolgens pasten ze een algoritme toe dat rekening hield met de ruimtelijke organisatie van hun atomen, op zoek naar atomen die draadachtige structuren bevatten, en berekenden hoeveel energie nodig zou zijn om die 1-D-structuur van de rest van het kristal te scheiden.

“We waren specifiek op zoek naar metaaldraden, die moeilijk te vinden zouden zijn omdat 1-D-metalen in principe niet voldoende stabiel zouden moeten zijn om exfoliatie mogelijk te maken”, zegt Cignarella, de eerste auteur van het artikel.

Uiteindelijk kwamen ze met een lijst van 800 1-D-materialen, waaruit ze de 14 beste kandidaten selecteerden: verbindingen die nog niet als echte draden zijn gesynthetiseerd, maar waarvan simulaties suggereren dat ze haalbaar zijn. Vervolgens gingen ze verder met het gedetailleerder berekenen van hun eigenschappen, om te verifiëren hoe stabiel ze zouden zijn en welk elektronisch gedrag je van ze zou verwachten.

Vier materialen – twee metalen en twee halfmetalen – vielen op als de meest interessante. Onder hen is de metaaldraad CuC₂een rechte keten bestaande uit twee koolstofatomen en één koperatoom, de dunste metalen nanodraad die tot nu toe stabiel is bij 0 K.

“Het is echt interessant omdat je niet zou verwachten dat een echte draad van atomen langs een enkele lijn stabiel is in de metallische fase”, zegt Cignarella. De wetenschappers ontdekten dat het kon worden geëxfolieerd uit drie verschillende ouderkristallen, allemaal bekend uit experimenten (NaCuC₂KCuC₂ en RbCuC₂). Er is weinig energie voor nodig om er uit te halen, en de ketting kan worden gebogen terwijl de metallische eigenschappen behouden blijven, wat hem interessant zou maken voor flexibele elektronica.

Andere interessante materialen gevonden in de studie, die wordt gepubliceerd in ACS Nanoomvatten de semi-metalen Sb₂Te₂, wat vanwege zijn eigenschappen het mogelijk kan maken om een ​​exotische toestand van materie te bestuderen die 50 jaar geleden werd voorspeld maar nooit werd waargenomen, genaamd excitonische isolatoren, een van die zeldzame gevallen waarin kwantumfenomenen zichtbaar worden op macroscopische schaal. Dan zijn er Ag₂Se₂nog een halfmetaal, en TaSe₃een bekende verbinding die als enige al in experimenten is geëxfolieerd als nanodraad, en die de wetenschappers als benchmark hebben gebruikt.

Wat de toekomst betreft, legt Cignarella uit dat de groep wil samenwerken met experimentatoren om de materialen daadwerkelijk te synthetiseren, terwijl ze computerstudies voortzetten om te zien hoe ze elektrische ladingen transporteren en hoe ze zich gedragen bij verschillende temperaturen. Beide dingen zullen van fundamenteel belang zijn om te begrijpen hoe ze zouden presteren in echte toepassingen.