Superpotências de materiais ultrafinos: na ciência dos materiais, 2D é o novo 3D

Uma câmara de vácuo, onde a espectroscopia de raios-X mede as propriedades dos materiais - pequenos quadrados de cores diferentes montadas em um suporte de cobre -

nos últimos anos, os dispositivos conectados à Internet alcançaram muitas novas fronteiras - nos pulsos, geladeiras, campainhas e carros. No entanto, alguns pesquisadores acreditam que a “Internet das coisas” ainda não está muito desenvolvida.

"E se pudéssemos incorporar eletrônicos em qualquer lugar", disse Thomas Palacios, engenheiro elétrico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, recentemente. - E se pudéssemos receber energia de painéis solares embutidos na rodovia e células de carga pudessem ser construídas em túneis e pontes para monitorar a condição do concreto? E se pudéssemos olhar para fora e ver a previsão do tempo no vidro? Ou incorporar eletrônicos que rastreiam a saúde humana em uma jaqueta? ”

Em janeiro de 2019, Palacios e colegas publicaram na revista Nature jobsdescrevendo a invenção, capaz de aproximar um pouco mais esse futuro: uma antena que pode absorver Wi-Fi, Bluetooth e telefones celulares cada vez mais e transformá-los efetivamente em eletricidade utilizável.

A chave dessa tecnologia é um material promissor: sulfeto de molibdênio , MoS ₂ , depositado em uma camada plana com uma espessura de apenas três átomos. No mundo da engenharia, é quase impossível fazer algo mais fino.

E uma espessura tão pequena é uma coisa útil. Por exemplo, com o MoS _2, você pode cobrir a superfície da mesa, transformando-a em um carregador de laptop que não requer fios.

Do ponto de vista dos pesquisadores, os materiais bidimensionais se tornarão o pilar da “Internet de tudo”. Eles "pintam" as pontes e os tornam sensores que monitoram a carga e as rachaduras. Eles serão impostos nas janelas com uma camada transparente, que ficará visível apenas quando as informações forem exibidas. E se a equipe conseguir criar um dispositivo para absorver ondas de rádio, será capaz de alimentar esses onipresentes eletrônicos. O futuro está cada vez mais plano.

"O interesse neste tópico está crescendo exponencialmente", disse Jeff Urban, pesquisador bidimensional de materiais da Molecular Factory no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, na Califórnia. "Você não pode dizer o contrário."


Thomas Palacios acredita que o futuro da eletrônica está em superfícies planas


Os engenheiros do MIT criaram pequenos circuitos eletrônicos a partir de grafeno, um


Palacios bidimensional de carbono com uma bolha contendo vários milhares de circuitos microeletrônicos de grafeno.


Yuxuan Lin, pesquisador do laboratório Palacios, está preparando equipamentos para trabalhar com circuitos bidimensionais.

Projetos planos abrem todas as portas

A moda química bidimensional começou em 2004, quando dois pesquisadores do Manchester Institute usaram fita adesiva para descascar um filme de carbono de átomo único de pedaços de grafite, produzindo grafeno. O grafeno é idêntico em composição ao grafite e diamante, mas sua pequena espessura lhe confere propriedades muito especiais: é flexível, transparente, extremamente forte e conduz eletricidade e eletricidade excepcionalmente bem.

Os pesquisadores começaram imediatamente a fazer todo tipo de gadgets novos e aprimorados. Várias empresas já lançaram fones de ouvido, nos quais o diafragma - uma membrana vibratória que reproduz o som em dispositivos de áudio - consiste em grafeno. Alguns fabricantes de tintas adicionam grafeno às suas fórmulas para manter o revestimento por mais tempo. Em outubro, a Huawei lançou o grande e poderoso telefone Mate 20 X, que usa grafeno para resfriar o processador. A Samsung usou grafeno para desenvolver uma bateria com carregamento acelerado, e ela pode aparecer em telefones no futuro próximo.

Urban trabalha com materiais bidimensionais para melhorar as propriedades das células de combustível, uma das opções de combustível "limpo" para transporte "ambientalmente amigável". A maioria das células de combustível gera eletricidade a partir do hidrogênio, mas, mesmo sob alta pressão, o hidrogênio ocupa várias vezes mais espaço que a gasolina, comparável em conteúdo de energia, como resultado do qual se torna impraticável usar o hidrogênio nos carros.

Em vez disso, Urban introduz átomos de hidrogênio em materiais sólidos cuja densidade é muitas vezes maior que a densidade dos gases. Em março, ele e seus colegas anunciaram a criação de um novo tipo de armazenamento: pequenos cristais de magnésio envoltos em tiras estreitas dos chamados nanofitas de grafeno. Eles descobriram que o hidrogênio armazenado dessa maneira produz quase tanta energia quanto a gasolina de volume semelhante e pesa muito menos.

Urban comparou esse processo a assar biscoitos com pedaços de chocolate, cujo papel é o magnésio que contém hidrogênio. "Precisamos de biscoitos contendo o maior número possível de pedaços de chocolate", disse ele, e as nanofitas de grafeno são uma excelente massa de biscoito. Os nanofitas também ajudam o hidrogênio a entrar e sair rapidamente dos cristais de magnésio, mantendo o oxigênio do lado de fora, combatendo o hidrogênio por um lugar dentro dos cristais.

Urban analisa o mundo dos materiais ultrafinos no laboratório Advanced Light Source, localizado sob uma cúpula, que oferece vistas panorâmicas da cidade de São Francisco e da baía. Aqui, os elétrons, dispersos quase à velocidade da luz, geram poderosos raios-x que podem ser usados ​​para detectar com precisão a estrutura atômica dos materiais.

Na ALS, Urban e seus colegas descobriram exatamente como o grafeno envolve o magnésio e se liga a ele. Essa conexão dos dois materiais garante a estabilidade do material composto por longos períodos de tempo - essa é uma propriedade importante para o uso do composto em condições reais.


Laboratório avançado de fontes de luz


Jeff Urban, pesquisador de materiais bidimensional, na Molecular Factory no Lawrence Berkeley National Laboratory na Califórnia


As células de combustível experimentais ajudam a medir as propriedades de materiais ultrafinos sob várias condições (quando expostas a gases, líquidos, luz solar ou produtos químicos) usando espectroscopia de raios X usando radiação de raios X suave. O


especialista em radiação Y-Sheng Liu, um dos membros da equipe de Urban, usa um controlador para definir o local da amostra do material em que os raios-X serão irradiados

Outros pesquisadores ultrafinos camadas de material dobrado na pilha para obter blocos tridimensionais, cujas propriedades ichayutsya de ambos bidimensionais e tridimensionais de materiais convencionais.

Kwabena Bedyako, química da Universidade da Califórnia em Berkeley, publicou um estudo no ano passado na revista Nature, descrevendo como ela e seus colegas colocaram íons de lítio entre várias camadas de materiais bidimensionais, incluindo grafeno.

"Começamos com um pedaço de pão, espalhamos com maionese, colocamos no queijo e depois no presunto", disse ela. "Você pode repetir quantas vezes quiser e ganha um sanduíche."

Ao alterar as camadas da pilha, os pesquisadores conseguiram ajustar o processo de armazenamento de lítio, e isso pode levar à criação de novas baterias de alta capacidade para dispositivos eletrônicos.

Xining Zang, Ph.D. em Ciência dos Materiais do MIT, descobriu recentemente uma maneira surpreendentemente simples de colocar materiais bidimensionais uns sobre os outros usando gelatina, um produto que confere estrutura à geléia e marshmallow. Ele e seus colegas combinaram gelatina, íons metálicos e água. A gelatina formou uma estrutura multicamada (como geralmente ocorre com a formação de geléia), que dava uma estrutura em camadas aos íons metálicos. Parte do carbono na gelatina reagiu com o metal, produzindo folhas bidimensionais de metal duro; eles agiram como catalisadores, ajudando a separar a água em oxigênio e hidrogênio - e esse processo pode ser usado em células de combustível para gerar eletricidade.

"Não posso dizer que a tecnologia era grosseira, porque se você pensar bem, acabou por ser bastante elegante", disse Nate Hochman, que anteriormente trabalhava na Molecular Factory, e um dos autores da obra. "Tudo saiu na junção de tecnologias de alta e baixa."

Tornando os materiais mais finos

Se os materiais bidimensionais estão florescendo, é em Cingapura, no laboratório de Liu Zheng, na Universidade de Tecnologia de Nanyang. Cingapura está tentando se tornar uma "cidade-jardim", e este pequeno país está preenchendo ativamente seu território com vegetação - incluindo a universidade, onde jardins são plantados em todos os cantos de seus edifícios modernos.

Zheng considera sua pesquisa uma variação no método de cultivo de plantas. "Sou jardineiro", disse ele. - Eu tenho um jardim bidimensional com uma variedade de cores. E eles são todos lindos. ”

No ano passado, Zheng e colegas expandiram significativamente seu jardim, criando dezenas de novos materiais bidimensionais a partir de uma classe de materiais compostos chamados calcogenetos de metais de transição(calcogenetos de metais de transição, TMC). Uma descoberta importante foi o uso de sal de mesa para diminuir o ponto de fusão dos metais; como resultado, tornou-se possível vaporizar o metal para que este se depositasse na forma de filmes finos.


No laboratório de Liu Zheng, na Universidade Tecnológica de Nanyang, camadas de materiais bidimensionais são colocadas em substratos de silício e armazenadas em recipientes.


Universidade Tecnológica de Nanyang, em Cingapura.


No laboratório de Zheng, o vapor químico é depositado por camadas bidimensionais em substratos de silício em tubos de quartzo.


Instrumentos para o controle e monitoramento cuidadosos do fluxo de gases nos tubos de quartzo tubos

"Uma vez que meu aluno me disse: eu posso fazer TMC com sal", disse Zheng. - Eu estava surpreso. Esse é o meu sonho há muitos anos. ”

Uma das prateleiras do laboratório de pelúcia de Zheng está cheia de recipientes herméticos transparentes; substratos de silicone com depósitos de materiais bidimensionais são armazenados lá. Muitas vezes, os filmes formam um triângulo ou hexágono visível, de acordo com a estrutura geométrica dos cristais do material.

Depois de colocar os filmes, a equipe de Zheng se muda para um laboratório próximo para estudar cuidadosamente as estruturas resultantes. A maior parte da sala é ocupada por um microscópio eletrônico de transmissão de quatro metros e um peso de uma tonelada e meia - um enorme dispositivo para a visualização de átomos individuais.

Muitos TMCs, incluindo o MoS ₂Palacios, absorvendo ondas de rádio, são potencialmente aplicáveis ​​em várias aplicações industriais. O seleneto de platina bidimensional do laboratório de Cingapura pode servir para produzir células de combustível mais baratas, que geralmente usam platina, que separa o próton do átomo de hidrogênio do elétron. Mudar para o seleneto de platina bidimensional pode reduzir a quantidade de platina usada em 99%, disse Zheng. A Universidade de Tecnologia de Nanyang já está discutindo a comercialização de tecnologia com os fabricantes. Até agora, o futuro ainda não é totalmente bidimensional, mas já está próximo disso.

"Eu vejo o enorme potencial comercial desse material", disse Zheng. "Podemos afetar seriamente o mercado."


Dispositivo termoelétrico flexível de Urban a partir de nanopartículas de carbono bidimensionais. Os dispositivos termoelétricos retiram energia do meio ambiente e a transformam em energia elétrica utilizável.

Source: https://habr.com/ru/post/undefined/