Het buigen van 2D-nanomateriaal kan toekomstige technologieën ‘aanzetten’

Boris Yakobson, materiaalwetenschapper aan de Rice University, en medewerkers ontdekten een eigenschap van ferro-elektrische 2D-materialen die zouden kunnen worden gebruikt als een functie in toekomstige apparaten.

Omdat ze buigen als reactie op een elektrische prikkel, kunnen enkellaagse ferro-elektrische materialen worden bestuurd om te fungeren als een schakelaar op nanoschaal of zelfs als een motor, volgens de studie gepubliceerd in ACS Nano.

Enkellaagse of 2D-materialen bestaan ​​meestal uit een enkele laag atomen, wat betekent dat ze slechts enkele nanometers dik zijn. Ze hebben de afgelopen jaren veel aandacht gekregen vanwege hun fysieke, elektrische, chemische en optische eigenschappen, waardoor ze bruikbaar zijn in toepassingen variërend van consumentenelektronica tot medische en industriële technologieën.

“2D-materialen zijn erg dun en erg flexibel”, zei Yakobson. “In enkellaags ferro-elektrisch materiaal levert dit een onverwacht spontaan, actief buiggedrag op.”

“De nieuwigheid die we in deze studie hebben gevonden, is dat er een verband of koppeling is tussen de ferro-elektrische toestand en het buigen of buigen van het materiaal. Dit werk combineert de ontdekking of voorspelling van een fundamentele eigenschap van een klasse van 2D-materialen met een praktische toepassing hoek.”

Ferro-elektrische materialen zijn materialen die zijn samengesteld uit negatieve en positieve ionen die kunnen verschuiven om spontane polarisatie te produceren, wat betekent dat de ionen scheiden op basis van hun elektrische lading.

“Het interessante is dat de atomen niet identiek zijn”, legt Jun-Jie Zhang uit, postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij Rice en hoofdauteur van het onderzoek. “Sommige zijn groter en sommige zijn kleiner, dus de laagsymmetrie is verbroken.”

Polarisatie drijft de grotere atomen naar de ene kant van de 2D-materiaallaag en de kleinere atomen naar de andere kant. Deze asymmetrische verdeling van de atomen of ionen zorgt ervoor dat het materiaaloppervlak in ferro-elektrische toestand buigt.

“Dus in plaats van plat te blijven, zal het materiaal in ferro-elektrische toestand buigen,” zei Yakobson. “Als je de polarisatie verandert – en je kunt het veranderen door elektrische spanning toe te passen – kun je de richting bepalen waarin het zal buigen. Dit controleerbare gedrag betekent dat je een actuator hebt.

“Een actuator is elk apparaat dat een signaal vertaalt – in veel gevallen een elektrisch signaal, maar het kan een ander soort signaal zijn – in mechanische verplaatsing of, met andere woorden, beweging of werk.”

De studie keek naar 2D indiumfosfide (InP) als een vertegenwoordiger van de klasse van ferro-elektrische materialen waarvoor het deze eigenschap voorspelt.

“Deze nieuwe eigenschap of buiggedrag moet in een laboratorium worden getest op specifieke stoffen”, zei Yakobson. “Het meest waarschijnlijke gebruik zal zijn als een soort schakelaar. Dit gedrag is erg snel, erg gevoelig, wat betekent dat je met een heel klein lokaal signaal misschien een turbine of elektrische motor kunt inschakelen, of de spiegels van adaptieve optische telescopen kunt besturen.” Dat is eigenlijk de essentie van deze actuatoren.

“Als je met je auto rijdt, heb je veel knoppen en schakelaars en dat maakt alles heel gemakkelijk. Je hoeft je autoraam niet meer open te slingeren, je kunt gewoon een schakelaar omdraaien.”