Istnienie przestrajanych materiałów dwuwymiarowych potwierdza słuszność teorii nagrodzonej Nagrodą Nobla
Heterostruktury to warstwy dwuwymiarowych arkuszy grafenu i innych kryształów. Mogą zostać związane z podłożami trójwymiarowymi dzięki działaniu sił van der Waalsa, tworząc tym samym nowe materiały o wyjątkowych właściwościach elektrochemicznych. Celem projektu 2DMAT4ENERGY, którego gospodarzem był Uniwersytet w Manchesterze, było wyprodukowanie heterostruktur van der Waalsa zbudowanych z materiałów dwuwymiarowych przestrajanych właściwościach elektrochemicznych, co przyczyni się do stworzenia obiecujących nowych możliwości zastosowania energii odnawialnej. Badania w ramach projektu przeprowadzono dzięki wsparciu z działań „Maria Skłodowska-Curie”. „Potencjał elektrochemiczny materiałów van der Waalsa nie został jak dotąd w pełni wykorzystany, a częściowo wynika z faktu, że elektrochemicy rzadko korzystają z metod stosowanych przez fizyków zajmujących się stanem stałym, którzy zdominowali świat materiałów 2D”, wyjaśnia koordynator projektu 2DMAT4ENERGY Matěj Velický.
Teoria Marcusa-Husha
W ramach projektu badacze przeprowadzili serię pomiarów doświadczalnych, aby wypełnić pewne luki w wiedzy z zakresu nauk podstawowych o materiałach dwuwymiarowych. W tym celu wykorzystali metody z zakresu elektronolitografii do wytworzenia heterostruktury van der Waalsa zbudowanej z heksagonalnego azotku boru i grafitu opartej na zjawisku tunelowym. „Dowiedliśmy tym samym w toku eksperymentu, że przewidywania uhonorowanej Nagrodą Nobla teorii transferu elektronów Marcusa-Husha były słuszne, choć w tamtym czasie obaj badacze bazowali wyłącznie na przypuszczeniach. Był to fascynujący moment w karierze każdego z nas, gdyż teoria ta jest jednym z filarów współczesnej elektrochemii”, zauważa Velický. Kolejnym przełomem okazało się przygotowanie centymetrowych płytek zbudowanych z monowarstwy dwusiarczku molibdenu (MoS2) na podłożu ze złota, związanych ze sobą dzięki siłom van der Waalsa. Wykorzystując spektroskopię ramanowską, rentgenowską spektroskopię fotoelektronów oraz metody z zakresu elektrochemii zespół wykazał, że właściwości elektronowe MoS2 można skutecznie kontrolować przy pomocy podłoża ze złota. I odwrotnie – właściwości chemiczne powierzchni złota mogą ulegać zmianie pod wpływem subnanometrowej warstwy MoS2. „Te cechy mogą doprowadzić nas do opracowania heterostruktur przydatnych do modyfikowania elektrod, magazynowania energii przez superkondensatory oraz wytwarzania czujników”, dodaje badacz. „To oznacza, że urządzenia do magazynowania energii ze źródeł odnawialnych będą mogły dostarczać energię elektryczną odpowiednio do zapotrzebowania, kompensując nieregularną dostępność energii z tych źródeł, np. wiatrowej czy słonecznej”.
Testy obciążeniowe
Najtrudniejszym aspektem projektu było zrozumienie wpływu bodźców zewnętrznych, takich jak pole elektryczne i naprężenie mechaniczne, na heterostruktury. Manipulowanie tym wpływem umożliwia inżynierom przestrajanie właściwości heterostruktur odpowiednio do potrzeb, czyniąc z nich materiały użyteczne w różnych zastosowaniach. W doświadczeniach zespół wykorzystał elektrochemiczne bramkowanie elektrolitu – skuteczny sposób na kontrolowanie ładunku elektrycznego w materiale, który pozwala badaczom zmieniać właściwości elektryczne i optyczne heterostruktur. Badacze przystąpili do zbadania naprężenia mechanicznego poprzez wytworzenie substratu o odpowiednim napięciu (na drodze celowego niedopasowania sieci pomiędzy substratem a materiałami dwuwymiarowymi) oraz zagięcie podstawy, na której spoczywały materiały dwuwymiarowe. Wyniki projektu już dotarły do laboratoriów na całym świecie. Velický dodaje: „W dłuższej perspektywie niektóre z naszych odkryć mogą przyczynić się do przyspieszenia miniaturyzacji urządzeń do magazynowania energii i detekcji do skali mikro lub nano, umożliwiając opracowanie przenośnych, personalizowanych i zrównoważonych technologii”. Zespół koncentruje się obecnie na dopasowaniu dwuwymiarowych materiałów podłożowych do zastosowań elektrokatalitycznych, takich jak reakcje ewolucji wodoru i redukcji tlenu wykorzystywane w ogniwach paliwowych.
Słowa kluczowe
2DMAT4ENERGY, nano, grafen, van der Waals, heterostruktura, energia odnawialna, elektrokataliza, Marcus-Hush, Nobel, elektrochemia
