Что, если ломкий арахис при определенных условиях ведет себя как ириска? Нечто подобное происходит с двумерным дихалькогенидом, проанализированным учеными из Университета Райса.
Исследователи Райса подсчитали, что атомарно тонкие слои дисульфида молибдена могут приобретать качества пластика при воздействии насыщенного серой газа при правильной температуре и давлении.
Это означает, что его можно деформировать, не ломая - свойство, которое многие материаловеды, изучающие двумерные материалы, должны найти интересным, по словам физика-теоретика Райса Бориса Якобсона и исследователя с докторской степенью Сяолуна Цзоу; они возглавили исследование, опубликованное в журнале Nano Letters Американского химического общества.
Дисульфид молибдена, объект изучения во многих лабораториях из-за его полупроводниковых свойств, заинтересовал лабораторию Райса из-за характеристик границ его зерен. Двумерные материалы, такие как графен, на самом деле представляют собой плоские листы толщиной в атом. Но двумерный дисульфид молибдена представляет собой сэндвич со слоями серы над и под атомами молибдена.
Когда два листа соединяются под разными углами во время роста в печи, атомы на границах должны компенсировать импровизированные «дефектные» устройства, называемые дислокациями, где они сходятся.
Исследователи определили, что можно способствовать движению этих дислокаций с помощью экологического контроля газовой среды. Это изменит свойства материала, придав ему сверхпластичность, что позволит ему деформироваться выше обычного предела прочности.
Пластиковые материалы можно переставлять, и они сохранят свою новую форму. Например, сантехник может согнуть металлическую трубу; это сгибаемое качество - пластичность. Якобсон отметил, что такие материалы могут снова стать хрупкими при дальнейших изменениях в окружающей среде.
«Вообще, сочетание химии и механики встречается довольно редко и с научной точки зрения трудно понять», - сказал Якобсон, чья группа в Райсе анализирует материалы, вычисляя энергии, которые связывают их атомы. «Коррозия - лучший пример того, как химия влияет на механическое поведение, а наука о коррозии все еще находится в стадии разработки».
Для дисульфида молибдена они обнаружили два механизма, с помощью которых границы могут преодолевать энергетические барьеры активации и приводить к сверхпластичности. В первом, называемом прямым повторным связыванием, только один атом молибдена в дислокации сместился бы в ответ на внешние силы. Во втором случае, вращении связи, несколько атомов сместятся в противоположных направлениях.
Они подсчитали, что барьер для прямого повторного связывания, хотя и менее драматичен, намного ниже, чем для ротации облигаций. «По пути ребондинга подвижность этого дефекта изменяется на несколько порядков», - сказал Якобсон.«Из механики материалов мы знаем, что хрупкие или пластичные свойства определяются подвижностью этих дислокаций. Мы показываем, что можем влиять на осязаемые свойства, растяжимость материала».
Якобсон предположил, что можно настроить пластичность дихалькогенидов в целом, а также устранить дефекты двумерного листа дихалькогенидов, обрабатывая дислокации, «чтобы позволить им быстро диффундировать и исчезать». исчезать или образовывать интересные агрегированные состояния». По его словам, это, вероятно, откроет путь к более легкому производству дихалькогенидов, для которых требуются особые электрические или механические свойства.
"Мы думаем об этих двухмерных материалах как об открытом холсте, теоретически говоря", сказал он. «В них можно очень быстро читать и записывать изменения. Объемные материалы не обладают такой открытостью, а здесь каждый атом находится в непосредственной близости от окружающей среды."
Райс аспирант Минцзе Лю и Чжиминг Ши, аспирант по обмену в группе Якобсона из Цзилиньского университета, Чанчунь, Китай, являются соавторами статьи. Якобсон - профессор материаловедения и наноинженерии имени Карла Ф. Хассельмана Райс, профессор химии и член Института нанотехнологий Ричарда Э. Смолли Райс.
Грант Инициативы междисциплинарных университетских исследований, предоставленный Исследовательским управлением армии США и Фондом Роберта Уэлча, поддержал исследование. Исследователи использовали суперкомпьютер DAVinCI, поддерживаемый Национальным научным фондом, которым управляет Институт информационных технологий Кена Кеннеди Райс.