(a) Dessins schématiques des processus de préparation des échantillons. (b) (i) Image cryo-EM des cristaux de Ca-Cl dans la membrane ultra-mince d'oxyde de graphène réduit (rGO). (ii) Diagramme de diffraction d'une structure cristalline typique par cryo-EM en mode de diffraction électronique. (iii) Transformée de Fourier de l'ensemble de l'image en fond clair montrant le même réseau hexagonal qu'en (ii). (c) Rapport atomique de Ca à Cl en fonction du temps de gravure mesuré par XPS lors de la gravure par ion argon pour un échantillon de la membrane Ca-Cl@rGO séchée. (d) Une structure stable du modèle moléculaire I de modules cristallins CaCl adsorbés sur une feuille de graphène à partir de calculs théoriques. (e) Résistivité électrique mesurée à l'aide du multimètre avec deux électrodes connectées aux surfaces haut et bas des membranes rGO et GO séchées, respectivement. (f) ferromagnétisme à température ambiante de la membrane Ca-Cl@rGO séchée. (g) Comportement d'hétérojonction de la membrane Ca-Cl@rGO séchée. (h) Propriété de type piézoélectricité de la membrane Ca-Cl@rGO séchée dans des conditions ambiantes. Crédit :Science China Press
Les ions calcium sont présents dans les roches, OS, coquilles, biominéraux, gisements géologiques, sédiments océaniques, et de nombreux autres matériaux importants. Les ions calcium jouent également un rôle majeur dans la rétention du dioxyde de carbone dans les eaux naturelles, dureté de l'eau, transduction du signal et génération de tissu. En tant que l'un des métaux alcalino-terreux, l'atome de calcium a deux électrons de valence selon la règle de l'octet. Jusqu'à maintenant, le seul état de valence connu des ions calcium dans les conditions ambiantes est +2, et les cristaux correspondants avec des ions calcium sont isolants.
En utilisant la cryomicroscopie électronique, les scientifiques ont rapporté l'observation directe de cristaux de CaCl bidimensionnels (2-D) sur des membranes d'oxyde de graphène réduit (rGO) dans des conditions ambiantes, qui ne présentent que des ions calcium monovalents (c'est-à-dire +1). Remarquablement, des propriétés métalliques plutôt qu'isolantes sont affichées par ces cristaux de CaCl 2-D, et plus intéressant, ferromagnétisme à température ambiante, résultante de l'hétérojonction graphène-CaCl, coexistence de la piézoélectricité et de la métallicité, ainsi que la capacité distincte de stockage et de libération d'hydrogène dans des conditions ambiantes sont démontrées expérimentalement.
Il est à noter que classiquement, les matériaux métalliques ne présentent généralement pas de piézoélectricité. Un tel comportement inattendu de type piézoélectricité des cristaux de CaCl métalliques est induit par la structure anormale 2-D CaCl que la structure est métallique en raison du comportement monovalent des ions Ca d'une part, et d'autre part la structure comporte deux éléments (Ca et Cl) avec des effets électriques différents sous contrainte de compression ou de traction. Par conséquent, les cristaux de CaCl 2-D sont un nouveau matériau qui possède à la fois un caractère métallique et une propriété piézoélectrique, et auront de nouvelles applications en tant que transistors jusqu'à l'échelle atomique et dans les dispositifs à nanotransistor.
Autant que nous sachions, le ferromagnétisme à température ambiante n'a jamais été observé pour un élément métallique du groupe principal. L'étude théorique révèle que l'origine possible d'un tel ferromagnétisme à température ambiante est les effets de bord ou de défaut des cristaux de CaCl, où il y a un électron de valence non apparié dans Ca+, alors on s'attend à ce que chaque élément métallique ait un ferromagnétisme à température ambiante en formant les cristaux 2D anormaux correspondants.
Des études théoriques montrent que la formation d'un tel cristal anormal est attribuée aux fortes interactions cation-π des cations Ca avec les anneaux aromatiques dans les surfaces de graphène. Étant donné que de fortes interactions cation-π existent également entre d'autres cations métalliques (tels que Mg 2+ , Fe 2+ , Co 2+ , Cu 2+ , CD 2+ , Cr 2+ et Pb 2+ ) et surfaces graphitiques, des cristaux similaires avec une valence anormale d'autres cations métalliques sont attendus.
Ces découvertes présentent non seulement une percée dans les cristaux 2-D avec un rapport cation-anion anormal, nouvelle valence des cations, et une conductivité inattendue, mais aussi fournir des œuvres séminales en matière, biologique, applications chimiques et physiques. Les propriétés et les comportements des cristaux 2D rompent avec les connaissances générales sur cet élément largement répandu dans la vie quotidienne, et ils attireront certainement l'attention et susciteront une réflexion sur ses applications passionnantes dans divers domaines.
Ces propriétés et comportements des cristaux 2-D élargiront également considérablement les applications du graphène fonctionnalisé. Plus loin, compte tenu de la large distribution des cations métalliques et du carbone sur terre, de tels composés «spéciaux» à l'échelle nanométrique avec des propriétés auparavant non reconnues peuvent être omniprésents dans la nature.
