Des chercheurs de Penn State, le laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie et la Lockheed Martin Space Systems Company ont développé des méthodes pour contrôler les défauts dans les matériaux bidimensionnels, comme le graphène, qui peuvent conduire à des membranes améliorées pour le dessalement de l'eau, stockage d'Energie, revêtements protecteurs de détection ou avancés.

Pour un bidimensionnel, un matériau d'un atome d'épaisseur comme le graphène, les défauts tels que les petites fissures ou les trous peuvent faire une grande différence dans les performances. D'habitude, ces défauts sont considérés comme indésirables. Mais si les défauts peuvent être contrôlés, ils peuvent être utilisés pour concevoir de nouveaux, propriétés souhaitables dans le matériau.

"Tant que vous pouvez contrôler les défauts, vous pourrez peut-être synthétiser la réponse que le graphène vous donnera, " dit Adri van Duin, auteur correspondant sur un article récent dans le journal de l'American Chemical Society ACS Nano . "Mais cela nécessite que vous ayez un très bon contrôle sur la structure et le comportement des défauts. Ce que nous avons fait ici est un pas assez important vers cela."

van Duin est le co-inventeur et principal développeur d'une technique de modélisation et de simulation mathématique appelée ReaxFF, qui est capable de prédire les interactions de milliers d'atomes lorsqu'ils sont perturbés par une force extérieure, dans ce cas le bombardement du graphène par des atomes d'un gaz noble.

Les gaz rares, qui comprennent l'hélium, néon, argon, krypton et xénon, sont fréquemment utilisés pour créer des défauts dans le graphène dans le but d'améliorer ses propriétés. En éliminant un ou plusieurs atomes de carbone des hexagones interconnectés du graphène, une structure rappelant le grillage, le trou résultant peut être rempli par des atomes d'un autre matériau ou molécule dans un processus appelé dopage. Le dopage peut modifier les propriétés chimiques ou électriques du graphène, à, par exemple, laisser passer les molécules d'eau tout en rejetant les particules de sel.

"Nous avons fait une série de simulations à l'échelle atomistique où nous accélérons les ions de gaz rares dans le graphène. Les simulations ont donné à peu près les mêmes modèles de défauts que les expériences, " dit van Duin. "Cela signifie que nos simulations peuvent dire aux expérimentateurs quelle dose d'atomes à quelle accélération ils ont besoin pour obtenir ces types de défauts."

Parce que les défauts peuvent se transformer en différentes formes ou se déplacer dans les secondes qui suivent leur création, son groupe simule également la mise du graphène dans un four et le chauffage à haute température, appelé recuit, pour stabiliser la structure.

Il est inhabituel qu'une simulation atomistique corresponde à la même taille, le temps et la plage d'exposition à titre expérimental, en raison des dépenses de calcul liées aux interactions entre des milliers d'atomes sur l'échelle de temps requise pour stabiliser un matériau, dit van Duin. La méthode du champ de force réactif (ReaxFF), développé par van Duin et William A. Goddard de CalTech, est capable de modéliser les interactions chimiques et physiques dans les molécules et les matériaux lorsque les liaisons entre les atomes se forment et se brisent.

Kichul Yoon, l'auteur principal de l'article et un étudiant diplômé du groupe de van Duin, dit, "Cette étude donne un aperçu des détails à l'échelle atomistique de l'irradiation au graphène et constitue une étape préliminaire dans la conception de matériaux carbonés fonctionnalisés en deux dimensions."

van Duin ajoute, "Il est clair que rien ne rend cela exclusif au graphène. Tout matériau 2D peut être traité avec les mêmes simulations. Quiconque souhaite doper un matériau 2D ou comprendre les défauts sera intéressé par ces simulations."

Les chercheurs ont l'intention de continuer à travailler avec Lockheed Martin sur des applications aérospatiales et poursuivront également l'objectif du dessalement de l'eau à base de graphène. Jacob Swett de Lockheed Martin a préparé les échantillons utilisés dans les expériences et a joué un rôle crucial dans l'avancement du projet.

Pour corréler les simulations avec les expériences, les chercheurs se sont appuyés sur le Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), une installation utilisateur du DOE Office of Science à l'ORNL, pour créer des défauts en utilisant le bombardement ionique et ensuite caractériser ces défauts en utilisant l'imagerie à résolution atomique. « Au CNMS, nous disposons d'instruments de microscopie électronique à transmission à balayage et à faisceau d'hélium et de néon à la pointe de la technologie qui permettent une caractérisation à l'échelle atomistique, " dit Raymond Unocic, un scientifique du personnel de R&D au Laboratoire national d'Oak Ridge.