Het oppervlak breken: hoe schade hervormt rimpelingen in grafeen

Defecten in tweedimensionale materialen (zoals een atoomdikblad van grafeen) kunnen de manier waarop het oppervlak rimpelt drastisch veranderen, waardoor het vel zelfs op zijn plaats wordt gestopt als een vriesframe.

Kabbelen is een cruciale eigenschap van 2D -materialen en beïnvloedt sterkte, geleidbaarheid, chemische activiteit en vloeistofinteracties. Inzicht in de relatie tussen rabbelen en defecten is essentieel voor belangrijke technologieën zoals flexibele elektronica, energieopslag, katalyse en nanofluidics. Nieuw onderzoek naar dit onderwerp is gepubliceerd in PNAS.

Dr. Fabian Thiemann, de eerste auteur van de krant, begon dit onderzoek tijdens zijn Ph.D. tussen UCL, de Universiteit van Cambridge en Imperial College London, en is nu onderzoekswetenschapper bij IBM.

Hij zei: “Hoewel experimenten de algehele vorm van gewaardeerde membranen kunnen vastleggen, worstelen ze om op te lossen hoe deze structuren in de loop van de tijd op atomaire schaal evolueren. Onze simulaties overbruggen deze kloof, waardoor we de kabbelende dynamiek in detail kunnen volgen en de rol van microscopische defecten in het vormgeven van de morfologie kunnen volgen.”

Bevroren rimpelingen

Tweedimensionale materialen lopen voorop in technologisch onderzoek, zoals in ultradunne flexibele schermen, snellere elektronica en waterfiltratie. Wat misschien een plat oppervlak lijkt, is echter nooit echt plat op atoomniveau. Net als een vijver hebben deze 2D -oppervlakken kleine rimpelingen die hun eigenschappen beïnvloeden.

De onderzoekers gebruikten op machine learning gebaseerde computermodellen die 2D-vellen grafeen en andere materialen vertegenwoordigen. Met deze modellen kunnen ze het kabbelende gedrag van verschillende materialen met en zonder defecten observeren. Ze ontdekten dat defecten in het vel de manier beïnvloeden waarop rimpelingen bewegen, en het meest cruciaal, dat de defecten boven een bepaalde concentratie het membraan bevriezen en het zijn flexibiliteit verliest.

Professor Angelos Michaelides in de ijsgroep van de Yusuf Hamied Department of Chemistry van de Universiteit van Cambridge merkte op: “De impact van de Wholescale, zo’n klein deel van de defecten kan hebben op de dynamiek van grafeen, is opmerkelijk. De vooruitzichten voor het exploiteren van deze nieuwe fundamentele insights zijn opwindend en talrijk, met name in nanofluïdics.”

Ontwerpen rond defecten

Dr. Camille Scalliet werkte aan dit project toen ze een Herchel Smith -postdoctorale fellow was aan de Universiteit van Cambridge en nu een permanent onderzoeker is bij de Laboratoire de Physique de L’École Normale Supérieure in Parijs.

Ze merkte op: “Door te begrijpen hoe defecten deze rimpelingen beïnvloeden, helpt ons werk ingenieurs om het fysieke gedrag van deze materialen te beheersen door defecten te gebruiken – iets dat traditioneel als ongewenst wordt beschouwd – als een ontwerptool.”

Erich A. Müller, professor thermodynamica aan het Department of Chemical Engineering, Imperial College London, voegde eraan toe: “Dit werk is een premier voorbeeld van hoe machine learning-potentialen (een subdiscipline van kunstmatige intelligentie) het gebied van materialen en ontwerp van de ontwikkeling van nieuwe materialen voor het maken van nieuwe materialen voor het maken van nieuwe materialen voor het maken van een nieuwe materialen voor het doen van de ontwikkeling van de ontwikkeling van het materiaal van het aantal materialen zijn, Toepassingen. “

Vooruitkijkend, willen de onderzoekers graag voortbouwen op deze bevindingen. Fabian Thiemann en Camille Scalliet reflecteerden op de toekomst van hun onderzoek en verklaarde: “Er zijn geweldige manieren om dit werk voort te zetten. Onze volgende stappen zijn om meer gecompliceerde situaties op nanoschaal te bestuderen, zoals membranen in contact met water of andere materialen. Dit is slechts het begin voor deze samenwerking.”