Nanotechnologia jest potężnym narzędziem, umożliwiającym kontrolowanie struktury materiałów w skali, która dla wielu jest niewyobrażalna. Zespół uczonych z Tokyo Metropolitan University pod kierunkiem prof. Yasumitsu Miyaty postanowił przyjrzeć się sposobom kontrolowania struktury dichalkogenków metali przejściowych (TMDC), efektem czego są nanozwoje o średnicy wewnętrznej 5 nm i długości kilku mikrometrów. Szczegóły opisano w czasopiśmie ACS Nano.
Nanozwoje z nanoarkuszy Janusa to prawdziwa innowacja
Dichalkogenki metali przejściowych (TMDC) to związki o ogólnej formule MX2, gdzie M oznacza atom metalu, natomiast X – atom selenu, telluru czy siarki oraz chalkogenki z grupy IV-VI, które wykazują̨ właściwości elektroniczne, optoelektroniczne lub termoelektryczne.
Czytaj też: Stworzyli jednowymiarowy gaz. Jak fizycy uwięzili atomy kryptonu w nanorurkach
W ostatnich latach obserwuje się duże zainteresowanie badaniami materiałów, o których pierwsze doniesienia sięgają lat 60. ubiegłego wieku. Opublikowano już prace, w których opisano potencjalne zastosowania ReSe2 czy GeSe jako materiałów dwuwymiarowych w postaci mono- lub kilkuwarstwowych.
Zespół prof. Miyaty skupił się na nowych sposobach wytwarzania nanozwojów, czyli nanoarkuszów zwiniętych w ciasne struktury przypominające zwoje, gdyż te istniejące są problematyczne. Np. podczas usunięcia atomów siarki z powierzchni nanoarkusza dochodzi do zniekształceń, co niszczy strukturę krystaliczną. Druga metoda zakłada wprowadzenie rozpuszczalnika między nanoarkusz a podłoże, umożliwiając tworzenie pozbawionych defektów nanozwojów, ale te zazwyczaj mają duże średnice.
Japońscy uczeni wymyślił nowy sposób zwijania się arkuszy. Zaczynając od jednowarstwowego nanoarkusza selenku molibdenu, poddano go obróbce plazmą i zastąpiono atomy selenu po jednej stronie siarką. Takie struktury nazywane są nanoarkuszami Janusa – od starożytnego boga o dwóch twarzach. Delikatny dodatek rozpuszczalnika następnie rozluźnia arkusze od podstawy, które następnie samoistnie zwijają się w zwoje ze względu na asymetrię pomiędzy bokami.
Czytaj też: Nanowstążki na ratunek. Tak ogniwa słoneczne zyskują na wydajności
Nanozwoje mają długość kilku mikronów, czyli są znacznie dłuższe niż poprzednio produkowane jednościenne nanoarkusze TMDC. Co więcej, okazało się, że są one zwinięte ciaśniej niż kiedykolwiek wcześniej, a ich środek ma średnicę sięgającą 5 nm, co spełnia teoretyczne oczekiwania. Nanozwoje silnie oddziałują ze światłem spolaryzowanym i mają właściwości wytwarzające wodór.
Ta nowatorska metoda tworzenia nanozwojów TMDC toruje drogę do licznych zastosowań w urządzeniach katalitycznych i fotowoltaicznych. Możliwość precyzyjnego kontrolowania nanostruktur tych nanostruktur zwiastuje nowe możliwości rozwoju zaawansowanych materiałów.