Jednou z největších výzev pro nově vzniklý nanotechnologický průmysl je schopnost třídění svých produktů. Většina průmyslových odvětví má standardizované metody hodnocení dobrého zboží od špatného. Vejce jsou tříděna podle velikosti, tvaru a pevnosti skořápky; diamanty podle karátu, řezu, čirosti a barvě, beton podle jeho směšovacího poměru (písek: cement: kamenivo) a jeho pevnost pod tlakem.
Produkty, pro které potřebujete elektronový mikroskop, ale nejsou tak snadné hodnotit.
Protože jsou syntetizovány nebo „pěstovány“ nanoprodukty, jako jsou nanotrubice, buckyballs, nanowire a nanosheety jako grafen, může se počet nedostatků v nich značně lišit od jednoho výrobce k druhému. Počet nežádoucích děr v ploše grafenu může vážně ovlivnit účinnost nanomateriálu jako produktu, což snižuje jeho pevnost, flexibilitu a / nebo elektrovodivost.
Ale jak hodnotit dobré produkty od špatných?
Jak může nanotechnologický průmysl hodnotit kvalitní grafen?
Odpověď se zdála po celou dobu jasná. Důvodem je, že tým vědců z Amesovy laboratoře amerického ministerstva energetiky našel způsob, jak detekovat bezchybný grafen pomocí difrakce elektronů s nízkou energií.
"Objev je paradoxní," řekl Michael Tringides, vedoucí vědec v Amesově laboratoři, jehož práce zahrnuje analýzu jedinečných vlastností 2D materiálů. "Učebnice difrakce uvádí, že čím více je materiál bezchybný, tím ostřejší a jasnější jsou difrakční body a nedokonalé materiály mají nízkou intenzitu a tím širší difrakční body."
Difrakční studie vysoce kvalitního grafenu s dobrou uniformitou struktury neočekávaně ukázaly nejen ostré skvrny, ale také velmi široký pás difúzní difrakce v pozadí.
Materiály použité v nanoměřítku (1 mm = 1 milion nanometrů) mají odlišné vlastnosti a zvláštní výhody oproti materiálům používaným ve velkém.
Například zlatá tyčinka musí být zahřátá na 1064 °C před tím, než začne tát. Stejný zlatý pruh v nanoformě se však bude tavit při 591 °C.
Podobně zlato (jako inertní materiál, který nekoroduje nebo se nepoškodí) by se za běžných okolností považovalo za špatnou volbu materiálu, který se použije jako katalyzátor pro chemické reakce. V měřítku 5 nanometrů však může působit jako katalyzátor pro reakci, jako je oxidace oxidu uhelnatého.
Nanotechnologie umožňuje technikům dělat věci, které byly dříve nemožné, což jim dává reálné praktické využití.
„Tento výsledek není intuitivní, ale je velmi podivný,“ poznamenává Tringides, „Zjistíme, že tento široký difrakční obrazec je vnitřní funkcí grafenu, a když ho máte, máte velmi dobrý grafen. Je to dobrý způsob, jak kvantitativně změřit jeho strukturální dokonalost. “
Výsledky studie byly nyní zveřejněny v časopise APS Physics, Physical Review B.
Je ohromující, že způsob, jakým kvalitní grafen vytváří široký difrakční obrazec, byl viditelný, protože byl poprvé vytvořen před 25 lety, ale nikdo jeho přítomnost neuznal. Schopnost takto hodnotit grafen byla jednoduše ignorována.
Teprve nyní si nanospecialisté uvědomili význam této vlastnosti. Jak říká Tringides: „Byl to velký, znatelný jev a reprodukovatelný, a uvědomili jsme si, že to musí být nějakým způsobem nesmírně důležité.“
Přesně proč grafen tuto vlastnost má, není zcela známo, nicméně některé teorie se již zkoumají. Jak uvádí nanotechnologický časopis Nanowerk, „… vědci se domnívají, že fenomén široké difrakce je způsoben uvězněním grafenových elektronů v jedné vrstvě atomů. Podle základů kvantové mechaniky, protože poloha elektronů kolmá k vrstvě je přesně známa, musí mít jejich vlnový vektor rozpětí, které se přenáší na difrakční elektrony. “
Rozumí se, jak tento objev dále posílí nanotechnologický průmysl. Nejen umožněním jednoduššího obchodu s nanomateriály, ale také vývojem vylepšených nanoproduktů.
"Tento efekt je významný i pro jiné typy 2D materiálů," jak se můžeme dočíst v časopise. "S pokračujícím a rostoucím zájmem o 2D materiály pro různé aplikace bude zlepšení jejich strukturální kvality klíčem k slibným novým technologiím."
Jak Tringides uzavírá, „Tato práce představuje důležitý krok směrem ke schopnosti přesně optimalizovat grafen a další 2D materiály a přizpůsobit jejich vlastnosti konkrétním aplikacím.“
Fotografický kredit: Singularityhub, Phys.org, Semanticsscholar a Azosensors
