Es ist ein gängiger Trick, einen Ballon auszudehnen, um ihn leichter aufblasen zu können. Wenn sich der Ballon ausdehnt, schrumpft die Breite quer auf die Größe einer Schnur. Noah Stocek, ein Ph.D. Ein Student hat in Zusammenarbeit mit dem westlichen Physiker Giovanni Fanchini ein neues Nanomaterial entwickelt, das das Gegenteil dieses Phänomens demonstriert.
Bei ihrer Arbeit bei Interface Science Western, der Heimat der Tandetron Accelerator Facility, formulierten Stocek und Fanchini zweidimensionale Nanoblätter aus Wolframhalbkarbid (oder W2C, einer chemischen Verbindung, die gleiche Teile von Wolfram- und Kohlenstoffatomen enthält), die, wenn sie gestreckt werden, zu einem Ganzen werden Richtung, dehnen sich senkrecht zur ausgeübten Kraft aus. Dieser strukturelle Aufbau wird als Auxetik bezeichnet.
Der Trick besteht darin, dass die Struktur des Nanoblatts selbst nicht flach ist. Die Atome in der Folie bestehen aus sich wiederholenden Einheiten, die aus zwei Wolframatomen für jedes Kohlenstoffatom bestehen und metaphorisch wie die genoppte Oberfläche eines Eierkartons angeordnet sind. Wenn in einer Richtung Spannung auf das elastische Nanoblatt ausgeübt wird, dehnt es sich in der anderen Dimension aus, wenn die Grübchen flacher werden.
Vor dieser Innovation gab es nur ein einziges Material, das sich auf diese kontraintuitive Weise um 10 % pro Längeneinheit ausdehnen konnte. Die im Westen hergestellte Wolfram-Halbkarbid-Nanoschicht kann sich auf 40 % ausdehnen, ein neuer Weltrekord.
„Wir wollten speziell ein zweidimensionales Nanomaterial aus Wolframhalbkarbid herstellen“, sagte Stocek. „Im Jahr 2018 sagten Theoretiker voraus, dass es dieses Verhalten auf einem hervorragenden Niveau zeigen könnte, aber niemand war in der Lage, es zu entwickeln, trotz umfangreicher Versuche von Forschungsgruppen auf der ganzen Welt.“
Da es nicht möglich war, das neue Wolfram-Halbkarbid-Nanomaterial mit chemischen Mitteln herzustellen, verließen sich Stocek und Fanchini bei der Bildung der Einzelatomschichten auf die Plasmaphysik. Plasma besteht aus geladenen Atomteilchen und ist der vierte Aggregatzustand (mit Feststoff, Flüssigkeit und Gas). Plasma kann in der Natur im Nordlicht, der Aurora Borealis, und in der Sonnenkorona während der jüngsten Sonnenfinsternis beobachtet werden. Es wird auch in Neonbeleuchtung, Leuchtstoffröhren und Flachbildfernsehern verwendet.
Typischerweise handelt es sich bei der Instrumentierung zur Herstellung zweidimensionaler Nanomaterialien um spezielle Öfen, in denen Gase auf eine Temperatur erhitzt werden, die hoch genug ist, um zu reagieren und chemisch die gewünschte Substanz zu bilden. Dieser Ansatz funktionierte einfach nicht, da jede chemische Reaktion, der häufigste Prozess, zu einem Produkt führen würde, das sich vom gewünschten Nanomaterial unterscheidet.
„Da blieben die meisten Forscher, die vor uns versucht hatten, an dieses Material zu kommen, stecken, also mussten wir umschwenken“, sagte Fanchini.
Anstatt ein Gas aus Wolfram- und Kohlenstoffatomen in Öfen zu erhitzen, wodurch neutrale Partikel erzeugt würden, wie dies bei Feststoffen, Flüssigkeiten oder Gasen der Fall wäre, entwickelten Stocek und Fanchini eine neue maßgeschneiderte Instrumentierung, die ein Plasma erzeugt, das aus elektrischer Energie besteht geladene Partikel.
Streben Sie Ziele an
Es gibt unzählige Anwendungsmöglichkeiten für diese W2C-Nanoblätter, angefangen bei einem neuen Typ von Dehnungsmessstreifen. Diese im Handel erhältlichen Messgeräte sind eine Standardmethode zur Messung der Ausdehnung und Dehnung in allen Bereichen, von Flugzeugflügeln bis hin zu Haushaltsinstallationen.
„Stellen Sie sich vor, Sie möchten wissen, ob sich ein Rohr in Ihrem Haus verformt und Gefahr läuft, irgendwann zu platzen. Sie können einen Sensor aus diesem zweidimensionalen Nanomaterial an das Rohr kleben und dann mit einem Computer den durch das Rohr fließenden Strom überwachen. „Wenn die Strömung ansteigt, bedeutet das, dass sich das Rohr ausdehnt und die Gefahr besteht, dass es platzt“, sagte Stocek.
Das neue Nanomaterial wird tatsächlich elektrisch leitfähiger, und das öffnet die Tür für endlose Einsatzmöglichkeiten in Dingen wie Sensoren oder anderen Geräten, die Ereignisse oder Veränderungen in der Umgebung erkennen und die Informationen an andere Elektronikgeräte senden. Eine weitere Anwendung besteht darin, das Material direkt in dehnbare Elektronikgeräte einzubetten, beispielsweise in tragbare Technologien, damit diese eine höhere Leitfähigkeit aufweisen.
„Normalerweise basieren Dehnungsmessstreifen auf der Tatsache, dass ein Material dünner wird, wenn man es dehnt, und dass man die Leitfähigkeit eines Materials ändert, um einen Strom zu leiten“, sagte Fanchini. „Mit diesem neuen Nanomaterial wäre das nicht mehr der Fall.“
Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Tagebuch Materialhorizonte.
Mehr Informationen:
Noah B. Stocek et al., Giant Auxetic Behavior in Remote-Plasma Syntheized Few-Layer Tungsten Semicarbide, Materialhorizonte (2024). DOI: 10.1039/D3MH02193A