Прорыв, принятый к публикации авг. 31 в Nano Letters может вывести науку о материалах на совершенно новый уровень.
Это стало возможным с помощью прибора SLAC для сверхбыстрой дифракции электронов (UED), который использует энергичные электроны для получения снимков атомов и молекул в масштабе времени до 100 квадриллионных долей секунды.
«Это первый опубликованный научный результат с нашим новым прибором», – сказал ученый Сицзе Ван, руководитель группы UED SLAC. "Он демонстрирует выдающееся сочетание атомного разрешения, скорости и чувствительности этого метода."
Директор SLAC Чи-Чан Као сказал: «Вместе с дополнительными данными, полученными от рентгеновского лазерного источника когерентного света линейного ускорителя SLAC, UED создает беспрецедентные возможности для сверхбыстрой науки в широком спектре дисциплин, от материаловедения до химии и биологических наук."LCLS – это пользовательский объект Управления науки Министерства энергетики США.
Необычные свойства материала в двух измерениях
Монослои или двухмерные материалы содержат только один слой молекул. В этой форме они могут приобретать новые захватывающие свойства, такие как превосходная механическая прочность и исключительная способность проводить электричество и тепло.
Но как эти монослои приобретают свои уникальные характеристики?? До сих пор исследователи имели лишь ограниченное представление о лежащих в основе механизмов.
«Функциональность двухмерных материалов в решающей степени зависит от того, как движутся их атомы», – сказал исследователь SLAC и Стэнфордского университета Аарон Линденберг, возглавлявший исследовательскую группу. "Однако до сих пор никому не удавалось изучить эти движения на атомном уровне и в реальном времени.
Наши результаты – важный шаг к созданию устройств нового поколения из однослойных материалов.«Исследовательская группа изучила дисульфид молибдена, или MoS2, который широко используется в качестве смазки, но проявляет ряд интересных свойств в однослойной форме – более чем в 150 000 раз тоньше человеческого волоса.
Например, однослойная форма обычно представляет собой изолятор, но при растяжении он может стать электропроводным.
Такое переключение можно использовать в тонкой, гибкой электронике и для кодирования информации в устройствах хранения данных. Тонкие пленки MoS2 также исследуются как возможные катализаторы, способствующие химическим реакциям. Кроме того, они очень эффективно улавливают свет и могут быть использованы в будущих солнечных элементах.
Из-за этого сильного взаимодействия со светом исследователи также думают, что они могут управлять свойствами материала с помощью световых импульсов.
«Чтобы проектировать устройства будущего, управлять ими с помощью света и создавать новые свойства с помощью систематических модификаций, нам сначала нужно понять структурные преобразования монослоев на атомном уровне», – сказал исследователь из Стэнфорда Эрен Маннебах, ведущий автор исследования.
Электронная камера выявляет сверхбыстрые движения
Предыдущие анализы показали, что отдельные слои дисульфида молибдена имеют морщинистую поверхность. Однако эти исследования предоставили только статичную картину. Новое исследование впервые показывает, как рябь на поверхности формируется и развивается в ответ на лазерный свет.
Исследователи из SLAC поместили свои монослойные образцы, которые были подготовлены группой Линью Цао в Университете штата Северная Каролина, в пучок очень энергичных электронов. Электроны, которые собираются в ультракоротких импульсах, рассеиваются от атомов образца и создают сигнал на детекторе, который ученые используют для определения местоположения атомов в монослое.
Этот метод называется сверхбыстрой дифракцией электронов.
Затем команда использовала ультракороткие лазерные импульсы для возбуждения движений в материале, которые вызывают изменение картины рассеяния с течением времени.
«В сочетании с теоретическими расчетами эти данные показывают, как световые импульсы создают морщины с большой амплитудой – более 15 процентов толщины слоя – и развиваются чрезвычайно быстро, примерно за триллионную долю секунды. "Это первый раз, когда кто-то визуализировал эти сверхбыстрые атомные движения", – сказал Линденберг.
Как только ученые лучше поймут монослои различных материалов, они смогут начать собирать их вместе и создавать смешанные материалы с совершенно новыми оптическими, механическими, электронными и химическими свойствами.