Υλικό θαύμα: για πρώτη φορά κατασκευάστηκαν μεμονωμένες δισδιάστατες νανοταινίες φωσφορένιου

Πάρα πολύ μικρές, ευέλικτες ταινίες κρυσταλλικού φωσφόρου κατασκευάστηκαν από ερευνητές του UCL (University College London) για πρώτη φορά στον κόσμο και θα μπορούσαν να φέρουν επανάσταση στα ηλεκτρονικά και στην τεχνολογία ταχείας φόρτισης μπαταριών.

Από την απομόνωση του δισδιάστατου φωσφορενίου, που είναι το φωσφορικό ισοδύναμο του γραφενίου, το 2014, περισσότερες από 100 θεωρητικές μελέτες έχουν προβλέψει ότι νέες συναρπαστικές ιδιότητες θα μπορούσαν να κάνουν την εμφάνισή τους από στενές «κορδέλες» (ταινίες) αυτού του υλικού. Οι ιδιότητες αυτές θα μπορούσαν να είναι εξαιρετικά πολύτιμες σε ένα εύρος τομέων. Σε μελέτη που δημοσιεύεται στο Nature, ερευνητές από το UCL, το Πανεπιστήμιο του Bristol, το VCU (Virginia Commonwealth University) και την Ομοσπονδιακή Πολυτεχνική Σχολή της Λωζάννης, περιγράφουν πώς διαμόρφωσαν ποσότητες υψηλής ποιότητας ταινίες από κρυστάλλους μαύρου φωσφόρου και ιόντα λιθίου.

«Είναι η πρώτη φορά που έχουν κατασκευαστεί μεμονωμένες νανοταινίες φωσφορενίου», αναφέρει ο συγγραφέας της μελέτης Dr Chris Howard (UCL Physics & Astronomy). «Οι συναρπαστικές ιδιότητες που προβλέπονται και οι εφαρμογές όπου οι νανοταινίες φωσφορενίου θα μπορούσαν να παίξουν μετασχηματιστικό ρόλο είναι πολύ μεγάλης εμβέλειας».

Οι ταινίες σχηματίζονται με τυπικό ύψος ενός ατομικού στρώματος, πλάτος 4-50 nm και είναι πάνω από 75 μm μήκος. Αυτές οι διαστάσεις είναι συγκρίσιμες με αυτές των καλωδίων που συνδέουν τους δυο πύργους της Golden Gate Bridge. «Χρησιμοποιώντας προχωρημένες μεθόδους απεικόνισης, έχουμε χαρακτηρίσει τις ταινίες με μεγάλη λεπτομέρεια βρίσκοντας ότι είναι εξαιρετικά επίπεδες, κρυσταλλικές και ασυνήθιστα ευέλικτες. Οι περισσότερες έχουν μόνο ένα απλό στρώμα ατόμων πάχος, όμως όπου η ταινία σχηματίζεται από περισσότερα από ένα στρώματα φωσφορενίου, βρήκαμε μη συνεχή βήματα μεταξύ των στρωμάτων 1-2-3-4 όπου η ταινία χωρίζεται. Αυτό δεν είχε φανεί πριν και κάθε στρώμα θα πρέπει να έχει διακριτές ηλεκτρονικές ιδιότητες», εξήγησε ο επίσης συγγραφέας Mitch Watts (UCL Physics & Astronomy).

Δομή φωσφορενίου

Ενώ οι νανοταινίες κατασκευάζονται από διάφορα υλικά όπως το γραφένιο, οι νανοταινίες φωσφορενίου που παράγονται εδώ έχουν μια ευρύτερη περιοχή πλάτους, ύψους, μήκους και λόγου διαστάσεων. Επιπλέον, μπορούν να παράγονται σε κλίμακα, σε υγρό που θα μπορούσε στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για να τις εφαρμόσει σε ποσότητα με χαμηλό κόστος για εφαρμογές. Η ομάδα λέει ότι οι προβλεπόμενες περιοχές εφαρμογών περιλαμβάνουν μπαταρίες, ηλιακά κύτταρα, θερμοηλεκτρικές συσκευές για μετατροπή περίσσευμα θερμότητας σε ηλεκτρισμό, φωτοκαταλύτες, νανοηλεκτρονικά και στους κβαντικούς υπολογιστές. Επιπροσθέτως, έχουν επίσης προβλεφθεί η ανάδυση εξωτικών φαινομένων συμπεριλαμβανομένων του νέου μαγνητισμού, των κυμάτων πυκνότητας σπιν και των τοπολογικών καταστάσεων.

Οι νανοταινίες σχηματίζονται με ανάμειξη μαύρου φωσφόρου με ιόντα λιθίου που διαλύονται σε υγρή αμμωνία στους -50 βαθμούς Κελσίου. Μετά από εικοσιτέσσερις ώρες, η αμμωνία απομακρύνεται και αντικαθίσταται με ένα οργανικό διαλύτη ο οποίος συνθέτει ένα διάλυμα νανοταινιών ανάμικτων μεγεθών. «Προσπαθούσαμε να κατασκευάσουμε φύλλα φωσφορενίου, έτσι εκπλαγήκαμε που ανακαλύψαμε ότι είχαμε κατασκευάσει ταινίες. Για να έχουν καλά προσδιορισμένες ιδιότητες, οι νανοταινίες, τα πλάτη τους πρέπει να είναι ομοιόμορφα σε όλο το μήκος τους και βρήκαμε ότι αυτή ήταν ακριβώς η περίπτωση των δικών μας ταινιών», ανέφερε ο Dr Howard. Ενώ ο Dr Loren Picco (VCU Physics) εξήγησε: «Την ίδια στιγμή που ανακαλύπταμε τις ταινίες, τα εργαλεία μας για το χαρακτηρισμό των μορφολογιών τους εξελίσσονταν ταχύτατα. Το μεγάλης ταχύτητας μικροσκόπιο ατομικής δύναμης που κατασκευάσαμε στο Πανεπιστήμιου του Bristol έχει μοναδικές ικανότητες να χαρτογραφήσει τα χαρακτηριστικά νανοκλίμακας των ταινιών πάνω στα μακροσκοπικά μήκη τους».

Ενώ συνεχίζει να μελετά τις βασικές ιδιότητες των νανοταινιών, η ομάδα σκοπεύει επίσης να διερευνήσει τη χρήση τους στην αποθήκευση ενέργειας, στην ηλεκτρονική μεταφορά και τις θερμοηλεκτρικές συσκευές με νέες παγκόσμιες συνεργασίες και με συνέργιες με ομάδες ειδικών στο UCL.

Πηγή: University College London

Περισσότερα στη δημοσίευση: Production of phosphorene nanoribbons. Nature.