Ученые впервые сняли рябь двухмерных материалов с помощью сверхбыстрой камеры

Новое исследование, проведенное во главе с учеными из Стэнфордского университета и лаборатории при Министерстве энергетики США, показало, как отдельные атомы перемещаются за триллионную долю секунды, формируя рябь на материале толщиной в три атома.

Этот беспрецедентный уровень детализации, снятый с помощью одной из наиболее скоростных электронных камер в мире, способен помочь ученым с развитием эффективных солнечных батарей, быстрой и гибкой электроники и высокоэффективных химических катализаторов.

Прорыв, принятый для публикации в издании Nano Letters, способен перевести материаловедение на совершенно новый уровень. И все благодаря прибору сверхбыстрой электронной дифракции, который задействует энергичные электроны для получения снимков атомов и молекул на временных отрезках порядка сотни квадриллионных долей секунды.

«Это первый опубликованный научный результат, полученный с помощью нового научного инструмента», сообщил ведущий ученый Ци Чжи Вон. „Он демонстрирует выдающееся сочетание атомного разрешения, скорости и чувствительности“.

Директор лаборатории Чи Чен Као отметил, что «вместе с дополнительными данными, полученными с помощью лазера, сверхбыстрая электронная дифракция создает беспрецедентные возможности для ультрабыстрой науки в широком спектре дисциплин, от материаловедения до химии и бионаук».

Удивительные свойства материалов в двух разрешениях

Монослои или двухмерные материалы содержат всего один слой молекул. В этой форме они могут демонстрировать новые и захватывающие свойства, такие как превосходная механическая прочность и чрезвычайная электрическая проводимость и теплопроводность. Однако как эти монослои приобретают свои уникальные особенности? До сих пор ученые видели лишь ограниченную часть лежащих в основе механизмов.

«Функциональные возможности двухмерных материалов критически зависят от того, как перемещаются их атомы», сообщил исследователь Арон Линденберг, руководитель научной группы. „Однако никому и никогда до сих пор не удавалось исследовать эти движения на атомном уровне и в режиме реального времени. Наши результаты — это важный шаг на пути к разработке устройств следующего поколения из монослойных материалов“.

Исследователи обратили внимание на дисульфид молибдена (MoS2), который широко используется в качестве смазки, а в монослойной форме (в 150000 раз тоньше человеческого волоса) ведет себя неординарно.

Так, например, обычно монослойная форма — изолятор, однако в растянутом виде она может стать электропроводящей. Такое меняющееся поведение может использоваться в тонкой гибкой электронике, а также для кодирования информации в устройствах хранения данных. Тонкие пленки дисульфида молибдена исследуются как потенциальные катализаторы, облегчающие химические реакции. Кроме того, они эффективно поглощают свет и могут использоваться в солнечных батареях будущего.

Вследствие взаимодействия со светом ученые надеются управлять свойствами дисульфида молибдена с помощью световых импульсов.

«Для разработки устройств будущего, управления ими с помощью света и создания новых свойств посредством систематических модификаций сначала мы должны понять структурные преобразования монослоев на атомном уровне», сообщил исследователь Эрен Маннебах, ведущий автор работы.

Электронная камера запечатлевает сверхбыстрые движения

Прежние исследования показали, что у монослоев дисульфида молибдена сморщенная поверхность. Однако так была получена лишь статическая картина. Впервые новое исследование показало, как рябь на поверхности формируется в ответ на лазерное излучение.

Исследователи поместили монослойные образцы под излучение высокоэнергичных электронов. Электроны рассеяли атомы образцов и привели к появлению сигнала на датчике, который ученые использовали для определения местоположения атомов в монослое. Эта технология называется сверхбыстрой электронной дифракцией.

Затем ученые применили сверхкороткий лазерный импульс для стимуляции движений в материале, которые запустят долговременные изменения в образце.

«Эти данные в сочетании с теоретическими подсчетами показывают, как световые импульсы генерируют рябь с большой амплитудой — свыше 15% толщины слоя, причем происходит все очень быстро, за триллионную долю секунды. Такие сверхбыстрые атомные движения удалось визуализировать впервые», заявил Линденберг.

Как только ученые лучше поймут монослои различных материалов, они смогут объединить их и разработать смешанные материалы с совершенно новыми оптическими, механическими, электронными и химическими свойствами.