Una nueva investigación realizada por científicos del Departamento de Energía de SLAC National Accelerator Laboratory y la Universidad de Stanford muestra cómo los átomos individuales se mueven en billonésimas de segundo para formar arrugas en un material de tres átomos de espesor.

Revelado por una marca nueva "Sala de electrones", uno de los más rápidos, este nivel de detalle sin precedentes podría conducir investigadores de todo el mundo en el desarrollo de células solares eficientes, flexibles, electrónica rápida y catalizadores químicos de alto rendimiento.



El avance podría tener ciencia de los materiales a un nivel completamente nuevo. Es fue posible gracias al instrumento en el SLAC para la difracción de electrones ultrarrápida, usando electrones energéticos para tomar instantáneas de los átomos y las moléculas en escalas de tiempo más rápidos 100 quadrillionths de segundo.

Científico Xijie Wang, UED equipo ventaja de SLAC, dijo:

"Este es el resultado científico publicado con nuestra nueva herramienta. Presenta el método de combinación excepcional de resolución atómica, velocidad y sensibilidad."

SLAC director Chi-Chang Kao dijo,

"Junto con los datos adicionales de láser de rayos X en SLAC Linac coherente Fuente de luz, UED crea oportunidades sin precedentes para la ciencia rápidamente en una amplia gama de disciplinas, desde la ciencia de los materiales a la química de ciencias de la vida."

Propiedades de los materiales extraordinarios de dos dimensiones

Las monocapas, materiales o 2-D, contienen sólo una sola capa de moléculas. Esto puede tomar la forma de nuevas y emocionantes características tales como resistencia mecánica superior y una extraordinaria capacidad para conducir la electricidad y el calor.

Pero, ¿cómo estas monocapas adquieren sus características únicas? Hasta ahora, los investigadores sólo tenían una visión limitada de los mecanismos subyacentes.

SLAC y Stanford investigador Aaron Lindenberg, quien dirigió el equipo de investigación, dijo:

"La funcionalidad de los materiales 2-D depende fundamentalmente de cómo se mueven sus átomos. Sin embargo, nadie ha sido capaz de estudiar la resolución propuesta en el nivel atómico y en tiempo real antes. Nuestros resultados son un paso importante hacia dispositivos la ingeniería de nueva generación a partir de materiales monocapa ".

El equipo de investigación examinó disulfuro de molibdeno, o MoS2, que es ampliamente utilizado como lubricante, pero toma un número de comportamiento interesante cuando está en forma de una sola capa - más de 150.000 veces más delgado que un cabello humano.

Para estudiar movimientos atómicos ultrarrápidos en una sola capa de disulfuro de molibdeno, los investigadores siguieron una bomba-sonda de enfoque: se movimientos excitados con un impulso de láser y se sondearon los cambios estructurales inducidos por un pulso de láser subsiguiente de electrones. Los electrones de la sonda de la muñeca de dispersión de los átomos de la monocapa y forman un patrón de dispersión en el detector - una señal de que el equipo utilizado para determinar la estructura monocapa. Grabación de patrones en diferentes retrasos entre los impulsos de la bomba y de la sonda, los científicos fueron capaces de determinar cómo la estructura atómica de la película de disulfuro de molibdeno ha cambiado con el tiempo. Crédito: SLAC

Por ejemplo, la monocapa forma es normalmente un aislante, pero cuando se estira, puede llegar a ser eléctricamente conductor. Este comportamiento de conmutación podría ser utilizado en la electrónica, delgadas y flexibles y codificar información en dispositivos de almacenamiento de datos.

Las películas delgadas de MoS2 se están estudiando como posibles catalizadores que facilitan las reacciones químicas. Además, capturan la luz de manera muy eficiente y podrían utilizarse en el futuro las células solares.

Debido a esta fuerte interacción con la luz, los investigadores encontraron también puede ser capaz de manipular las propiedades del material con pulsos de luz.

El autor principal y Stanford investigador Ehren Mannebach, dijo:

"Para diseñar futuros dispositivos, controlarlos con la luz y crear nuevas propiedades a través de cambios sistemáticos, primero tenemos que entender los cambios estructurales de la monocapa a nivel atómico."

Cámara ultrarrápida de electrones revela Propuestas

Análisis previos han demostrado que las capas individuales de disulfuro de molibdeno tienen una superficie arrugada. Sin embargo, estos estudios proporcionan sólo una imagen estática. El nuevo estudio revela por primera vez que las ondas superficiales formará y evolucionar en respuesta a la luz láser.

Investigadores de SLAC colocaron sus muestras de una sola capa, que han sido formuladas por el grupo de Linyou Cao en la Universidad Estatal de Carolina del Norte, en un haz de electrones de alta energía.

Los electrones, que se suministran a pulsos ultracortos, la dispersión fuera de los átomos de la muestra y producir una señal de un detector que los científicos usan para determinar en que los átomos están situados en una sola capa. Esta técnica se llama difracción de electrones ultrarrápida.

El equipo utilizó pulsos láser ultracortos para excitar movimientos en la materia, los cuales hacen que el modelo de dispersión para cambiar con el tiempo.

Viendo movimientos inducidas por láser de átomos en una monocapa de disulfuro de molibdeno: El pulso láser crea arrugas con grandes amplitudes - más de 15 por ciento del espesor de la capa - que se desarrollan en una billonésima parte de un segundo. Crédito: K.-A. Duerloo / Stanford

"En combinación con los cálculos teóricos, estos datos muestran que los pulsos de luz generan arrugas que tienen grandes amplitudes - más de 15 por ciento del espesor del nivel -. Y se desarrollan muy rápidamente, en aproximadamente una billonésima parte de un segundo Esto es la primera vez que alguien ha demostrado que estos movimientos atómicos ultrarrápidos ", dijo Lindenberg.

Una vez que los científicos a entender mejor monocapas de diferentes materiales, que podrían empezar a poner juntos y el diseño de materiales mezclados con completamente nueva óptica, mecánica, electrónica y química.