Au milieu de la frénésie de la recherche mondiale sur les matériaux atomiquement minces comme le graphène, il y a un domaine qui a échappé à toute analyse systématique, même si cette information pourrait être cruciale pour une multitude d'applications potentielles, y compris le dessalement, Séquençage ADN, et des dispositifs pour les communications quantiques et les systèmes de calcul.

Cette information manquante a à voir avec les types de défauts minuscules, ou "trous, " qui se forment dans ces feuilles 2-D lorsque certains atomes sont absents du réseau cristallin du matériau.

Maintenant que ce problème a été résolu par les chercheurs du MIT, qui ont produit un catalogue des tailles et formes exactes des trous qui seraient très probablement observés (par opposition aux nombreux autres qui sont théoriquement possibles) lorsqu'un nombre donné d'atomes est retiré du réseau atomique. Les résultats sont décrits dans la revue Matériaux naturels dans un article de l'étudiante diplômée Ananth Govind Rajan, les professeurs de génie chimique Daniel Blankschtein et Michael Strano, et quatre autres au MIT, Espace Lockheed Martin, et l'Université d'Oxford.

"C'est un problème de longue date dans le domaine du graphène, ce que nous appelons le problème de catalogage des isomères pour les nanopores, " dit Strano. Pour ceux qui veulent utiliser du graphène ou similaire en deux dimensions, matériaux en forme de feuille pour des applications comprenant la séparation chimique ou la filtration, il dit, « nous avons juste besoin de comprendre les types de défauts atomiques qui peuvent se produire, " par rapport au nombre beaucoup plus important qui n'est jamais vu.

Par exemple, Blankschtein fait remarquer, en supprimant seulement huit atomes de carbone contigus du réseau hexagonal d'atomes en fil de poulet dans le graphène, il y a 66 formes différentes possibles que le trou résultant pourrait avoir. Lorsque le nombre d'atomes enlevés passe à 12, le nombre de formes possibles passe à 3, 226, et avec 30 atomes enlevés, il y a 400 milliards de possibilités, un nombre bien au-delà de toute possibilité raisonnable de simulation et d'analyse. Pourtant, seule une poignée de ces formes sont réellement trouvées dans les expériences, ainsi, la capacité de prédire lesquelles se produisent réellement pourrait être d'une grande utilité pour les chercheurs.

Décrire le manque d'informations sur les types de trous qui peuvent réellement se former, Strano dit, " Qu'est-ce que ça a fait, pratiquement parlant, est-ce qu'il a fait une déconnexion entre ce que vous pourriez simuler avec un ordinateur et ce que vous pourriez réellement mesurer en laboratoire. il dit.

La capacité d'effectuer l'analyse reposait sur un certain nombre d'outils qui n'étaient tout simplement pas disponibles auparavant. "Vous n'auriez pas pu résoudre ce problème il y a 10 ans, " dit Strano. Mais maintenant, avec l'utilisation d'outils dont la théorie des graphes chimiques, calculs précis de la structure électronique, et microscopie électronique à transmission à balayage haute résolution, les chercheurs ont capturé des images des défauts montrant les positions exactes des atomes individuels.

L'équipe appelle ces trous dans le réseau « antimolécules » et les décrit en fonction de la forme qui serait formée par les atomes qui ont été retirés. Cette approche fournit, pour la première fois, un cadre simple et cohérent pour décrire l'ensemble de ces formes complexes. Précédemment, "si vous parliez de ces pores dans le matériau, il n'y avait aucun moyen d'identifier" le type spécifique de trou impliqué, dit Govind Rajan. « Une fois que les gens commencent à créer ces pores plus souvent, il serait bon d'avoir une convention de nommage" pour les identifier, il ajoute.

Ce nouveau catalogue pourrait aider à ouvrir une variété d'applications potentielles. "Les défauts sont à la fois bons et mauvais, " explique Strano. " Parfois, vous voulez les empêcher, " parce qu'ils fragilisent la matière, mais "d'autres fois, vous voulez les créer et contrôler leurs tailles et formes, " par exemple pour la filtration, traitement chimique, ou séquençage d'ADN, où seules certaines molécules spécifiques peuvent passer à travers ces trous. Une autre application pourrait être l'informatique quantique ou les appareils de communication où des trous d'une taille et d'une forme spécifiques sont réglés pour émettre des photons de lumière de couleurs et de niveaux d'énergie spécifiques.

En plus de leur impact sur les propriétés mécaniques d'un matériau, les trous affectent l'électronique, magnétique, et les caractéristiques optiques ainsi, dit Govind Rajan.

"We think that this work will constitute a valuable tool" for research on defects in 2-D materials, Strano predicts, because it will allow researchers to home in on promising types of defects instead of having to sort through countless theoretically possible shapes "that you don't care about at all, because they are so improbable they'll never form."